PIC数值方法以及激光-物质相互作用若干物理研究

摘要

本论文介绍了激光-等离子体相互作用相关理论及粒子模拟（Particle-in-Cell）方法；提出了 PIC粒子模拟方法中电荷守恒高阶插值算法，详细介绍了二阶和三阶插值算法，介绍了将二阶和三阶拓展到任意偶数阶和奇数阶的方法；模拟测试验证了高阶算法的有效性，证明了高阶插值算法有利于降低数值噪声和计算时耗，增大网格大小以及提高计算精度。
　　详细研究了纳米结构靶中超热电子的产生和加热机理，提出了锥形纳米丝靶用于提高快点火中激光-超热电子能量转换效率。数值模拟结果表明，相对于普通纳米丝靶，锥形纳米丝靶的能量转换效率可以提高一倍以上，并且锥形纳米丝所产生的超热电子的准直性也进一步提升，该项工作证实了锥形纳米丝靶在惯性约束聚变快点火中的巨大应用价值。
　　研究了鞘场（TNSA）质子加速，引入了质子束库伦爆炸理论模型，详细分析了鞘场加速机制中质子层的初始尺寸对质子束品质的影响；先后提出了纳米刷靶和锥形纳米刷靶加速质子束，以提高能量转换效率，并在二维 PIC数值模拟中证实了理论设计方案；同时为了提高质子照相中成像分辨率，本论文还提出了锥台靶加速点状质子束源。
　　研究了穿孔辐射压（HB-RPA）质子加速机制中激光脉宽、激光强度和等离子体密度对质子束能量、质子数量和能量转换效率的影响。比较了模拟中得到的质子束能量与一维定标值之间的关系，理论分析了两者之间的差异，发现脉宽为15~20fs时可以获得更高的能量转换效率。该论文首次对HB-RPA质子加速机制进行全三维数值模拟，发现了相对论自聚焦和相对论相位调制等效应在三维中非常显著。激光强度为8.0×1022Wcm-2，脉宽为15fs时，可以将4×1010个质子加速到1.3GeV，并且质子束的能散度也小于28％，横向发散度和发散角也只有0.067mm-mrad和9.5°。优化激光脉宽、等离子体初始密度获得了最大能量为1.74GeV、最高能量转换效率高达11.7%以及最小尺寸小于1μm的高品质质子束。
　　研究了超短超强激光驱动阿秒电子束和gamma光子束，理论分析了基于下一代激光装置的阿秒电子束和gamma束的加速方案，数值模拟证实了方案的可行性；细致研究了激光强度和激光脉宽对电子束和gamma束品质的影响。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 激光-等离子体相互作用研究的历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 激光-等离子体相互作用理论以及PIC电荷守恒高阶插值算法

2.1 激光-等离子体互作用相关理论

2.2 PIC方法简介

2.3 PIC电荷守恒高阶算法的发展

2.4 本章小结

第三章 纳米结构靶超强吸收

3.1 引言

3.2 电子在丝中的运动方式

3.3 电子在丝靶中的加热方式

3.4 锥形纳米丝靶提高激光-超热电子能量转换效率

3.5 本章小结

第四章 TNSA质子加速

4.1 引言

4.2 TNSA质子加速理论

4.3 质子层的尺寸对质子束品质的影响

4.4 纳米结构靶质子加速

4.5 高品质质子点源的产生

4.6 本章小结

第五章 HB-RPA质子加速

5.1 引言

5.2 HB-RPA质子加速理论

5.3 二维HB-RPA质子加速

5.4 三维HB-RPA质子加速研究

5.5 本章小结

第六章 阿秒电子束/伽马光子束的产生

6.1 引言

6.2 阿秒电子束的加速理论

6.3 阿秒电子束数值模拟结果

6.4 阿秒伽马光子束的产生

6.5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果