超强激光固体密度靶相互作用产生的快电子传输过程中的准直和能量沉积研究

摘要

超强激光与固体靶等离子体相互作用，在临界密度附近通过各种吸收机制将能量沉积到背景等离子体，产生大量具有相对论性能量的快电子。无论是在惯性约束聚变、X-射线成像技术等实际应用研究中，还是在天体物理中的高能带电粒子喷射流产生机制等理论研究中，这些快电子都具有重要的研究价值和意义。在应用和理论研究背景下，通常都要求快电子束能具有理想的高品质因素:单能性好，方向性好以及均匀性好。
　　由于各种非线性效应的集体作用，超强激光固体密度靶相互作用产生的快电子束通常都具有较大发散角，这就直接影响了快电子束的方向性品质。由于激光等离子体相互作用中本身就能产生强大的准静态自生磁场，利用自生磁场来对快电子束进行箍缩和准直以减少束发散角，在快电子束的应用和理论方面是非常重要的研究课题。此外，准直了的快电子束在等离子体中的能量沉积也具有非常重要的实际意义，如快点火方案中点火热斑的形成等。本论文围绕快电子的磁场准直和能量沉积开展理论与数值模拟研究，获得了若干有意义的结果。
　　1、从激光等离子体相互作用中自生磁场产生机制出发，提出了设计双层密度靶来产生界面磁场的方案，并给出了相应的界面磁场的估计模型。利用二维PIC粒子模拟对不同入射激光参数和双层靶参数下，界面磁场的产生情况进行模拟，并和理论模型结果对比。模拟结果显示界面磁场的强度随着入射激光强度的增加而增加，和估计模型相一致;在相同入射激光的情况下，磁场强度将随双层靶之间的密度差增加而增大，但最终将达到一个饱和值而不再增加，这是由于Alfvén电流的限制所造成。
　　2、在双层靶产生界面磁场的基础上，结合磁场准直条件和试探粒子模型，进一步提出利用双层靶产生的界面磁场来对快电子束进行准直，并用二维PIC粒子模拟针对不同的双层靶参数和入射激光参数进行了全面的模拟、分析和对比研究，得到了利用双层靶对快电子束进行准直的一些有价值的结论。模拟结果表明，中间层的密度低于外层密度的双层靶更利于快电子束的准直;在相同的入射激光能量下，先弱后强的两束激光辐照双层靶比一束激光辐照双层靶准直出来的快电子束的数密度和束流强度都要高;采用两束激光辐照双层靶的准直效果要好于两束激光辐照均匀靶。
　　3、从动力论方程出发，针对相对论性快电子在超高密度等离子体中通过碰撞实现能量沉积的物理背景，初步研究并推导出了快电子分布函数所满足的动力论方程。模型中既考虑等离子体中的两体碰撞效应，也考虑了等离子体作为一个整体响应的集体效应，并且方程能在物理上保证粒子数的守恒性，在非相对论极限下能退化到经典的动力论方程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 惯性约束聚变及相关学科发展

1．1．1 激光技术的发展

1．1．2 激光聚变

1．1．3 高能量密度物理

1．2 激光等离子体相互作用

1．2．1 强激光与等离子体相互作用

1．2．2 超强激光与等离子相互作用

1．3 激光固体靶作用产生快电子及应用

1．3．1 快电子的产生

1．3．2 快电子的应用

1．4 准静态自生磁场的产生

1．4．1 超强激光在低密度等离子体中自生磁场的产生机制

1．4．2 超强激光在高密度等离子体中自生磁场的产生机制

1．5 快电子的准直

1．5．1 利用表面电磁场控制电子束的半径

1．5．2 锥丝靶

1．5．3 磁场准直方案

1．6 快电子的能量沉积

1．7 本论文的研究背景和主要研究内容

参考文献

第二章 界面磁场的产生

2．1 引言

2．2 界面磁场产生的模型

2．3 双层密度靶设计产生界面磁场

2．3．1 基本物理模型

2．3．2 界面磁场的物理估计模型

2．4 粒子模拟结果与分析

2．4．1 激光入射到均匀靶和双层靶

2．4．2 不同强度的激光入射到相同的双层靶

2．4．3 相同激光入射到不同密度分布的双层靶

2．5 结论

参考文献

第三章 不同密度双层结构靶对快电子束的准直

3．1 引言

3．2 双层靶准直的试验粒子模型

3．2．1 磁场准直条件

3．2．2 双层靶准直快电子的试验粒子模型

3．3 不同密度结构双层靶的准直比较

3．4 双层靶和均匀靶的准直比较

3．5 小结

参考文献

第四章 两束激光辐照双层靶对快电子束的准直

4．1 引言

4．2 两束激光辐照双层靶

4．2．1 两束激光和一束激光辐照双层靶

4．2．2 脉宽不同的两束激光辐照双层靶

4．3 两束激光辐照双层靶和均匀靶

4．4 小结

参考文献

第五章 快电子的能量沉积

5．1 引言

5．2 Fokker-Planck方程

5．2．1 带碰撞项的动力论方程

5．2．2 碰撞项的组成

5．3 两体碰撞：Fokker-Planck碰撞项

5．3．1 Landau核函数

5．3．2 Fokker-Planck碰撞项

5．3．3 碰撞项的讨论

5．4 集体效应：Balescu-Lenard碰撞项

5．4．1 Balescu-Lenard碰撞项

5．4．2 完整的Fokker-Planck方程

5．5 小结

附录

参考文献

第六章 总结与展望

发表和待发表文章目录

致谢