强激光驱动级联离子加速的理论与数值模拟研究

论文摘要

作为激光强场物理领域重要的潜在应用之一,近二十年来强激光驱动离子加速在理论与实验研究方面均取得了快速发展。与传统射频加速器相比,激光等离子体加速器具有加速梯度大、加速距离短、成本低等优点,同时它也为建设粒子对撞机提供了一种新的技术途径。特别是随着啁啾脉冲放大技术的诞生,激光强度已可以达到相对论激光强度,在此强度下电子在激光电场中的振荡速度将接近光速。同时,激光与靶相互作用中可以通过各种加热机制产生大量的超热电子,通过这些超热电子还可以实现对质子、离子的有效加速产生高能离子束。这些激光驱动的高能离子束在基础科学研究、医学、工业等领域都具有重要的应用前景,现在科研人员已提出了一系列激光驱动的离子加速机制及其改进模型以期获得高能量、高品质的离子束。迄今为止,激光驱动的离子加速机制主要包括:靶后鞘层加速（Target normal sheath acceleration,TNSA）,辐射压加速（Radiation pressure acceleration,RPA）,库仑爆炸加速（Coulomb explosion,CE）和无碰撞冲击波加速（Collisionless shock acceleration,CSA）等。然而,很多应用都对离子束的能量和品质具有一定的要求,目前激光驱动所能产生的离子束普遍来说能量还偏低且能散较大。基于上述背景,本论文以靶后鞘层加速、库仑爆炸以及辐射压加速三种离子加速机制作为切入点,通过设计相应的级联离子加速方案或采用双色激光脉冲等手段以进一步提升激光驱动的离子束能量和品质。本论文包括以下主要内容:第一章对激光技术的发展、激光等离子体相互作用的主要参数和概念、论文选题的意义以及采用的数值模拟手段即粒子模拟方法进行了简单的介绍;第二章则对一些常见的激光驱动的离子加速机制及其级联或混合加速方案进行了简单的介绍和概括。第三章研究利用超强激光脉冲与微型管相互作用来实现离子级联加速的方案,该方案能够同时提升入射离子束的能量和品质。首先我建立了两束或多束激光脉冲径向辐照微型管时所产生的静电场和静电势的描述模型。当微型管被强激光辐照时,微型管被迅速离化后管中大量自由电子将被剥离出管外。在管内,由于电子向管轴心的膨胀,管中将产生朝内的径向电荷分离场,由此可起到聚焦入射离子束的作用。而滞留的离子则形成带有正电荷的中空圆柱,这将在微型管的两个端口产生沿轴向朝外的电场可用于加速入射离子束。利用三维粒子模拟,我验证了对沿轴入射质子束的再加速。模拟中,通过控制激光脉冲与入射质子束的时间延迟,可确保质子束在轴向电场产生前进入微型管而当轴向电场较强后才出射微型管,同时在微型管中运动时感受到强度适中的径向聚焦电场,从而在这过程中质子束不仅能够获得能量增益而且其发散角也有所降低。我们发现基于库仑爆炸的这种级联离子加速方案对初始能量为100MeV的入射质子束也依然适用。最后,我还研究了利用激光脉冲沿轴向辐照微型管时库仑爆炸来实现的级联离子加速的方案,此方案也同样能对入射质子束进行纵向再加速和横向聚焦;并且具有更高的从激光到离子束的能量转换效率。第四章研究靶后鞘层加速机制,并提出基于该机制的离子级联加速方案,该方案通过利用鞘层电场的时间演化规律可实现对入射离子束的纵向尺寸压缩,从而提升多级加速后的离子束品质。当一束超短超强激光脉冲斜入射固体薄靶时,由于无碰撞加热将产生大量超热电子;部分超热电子将穿过靶向靶后的真空膨胀,从而在靶后鞘层处形成超强的电荷分离场。我们研究发现该鞘层场需要经过一段时间其峰值才能达到最大值。如果离子束在鞘层场上升阶段入射进入该鞘层场,则可以想象入射离子束的后端离子将受到比前端离子更强的加速场。因此即使一般离子束中后端离子的速度往往低于前端离子,但是当它们离开逐渐增强的靶后鞘层场后,后端离子的速度有可能反超前端离子的速度。随着离子束出射后的继续传播,原来的后端离子还将在空间位置上反超原来的前端离子。在这整个加速过程中,发现我们离子束刚好在相空间中完成了半圆周翻转。结合PIC模拟,我们发现入射离子束通过这样的在相空间中的翻转可使其纵向尺寸得到很好的控制,即离子束实现了纵向压缩。同时,我们通过多级连续的TNSA加速模拟对比了不同入射时间的两束离子束的最终品质,其中一束存在离子束相空间翻转而另一束不存在;我们发现有相空间翻转的离子束其纵向尺寸和能散都能维持在一个较低的水平,从而更适合多级级联加速;而没有发生相空间翻转的离子束虽然在第一级加速中其能散可以降低到更低的水平,但因为其纵向尺寸扩散很严重将很难实现后续的高质量级联加速。第五章研究钻孔辐射压加速机制中的横向瑞利-泰勒不稳定性的发生与演化。我们提出利用两束不同强度的双色圆偏振激光脉冲来抑制靶前表面的瑞利-泰勒不稳定性发展,其中一束为高强度高频率的主激光脉冲,另一束为相对低强度和低频率的辅助激光脉冲。理论研究发现在两束圆偏振激光脉冲的共同作用下,靶前表面能够产生局部超热电子,这些超热电子将带动并增强离子的横向扩散速度。离子的横向运动可平滑靶前表面发展起来的横向周期性结构从而在一定程度上抑制不稳定性的发展。通过二维PIC模拟,我们发现在两束圆偏振激光的共同作用下等离子体前表面结构相对平整,表面横向瑞利-泰勒不稳定性的增长率明显下降。同时,我们发现离子束相空间有着稳定的平台型结构,大量的离子被一致加速至两倍钻孔速度。此低能散的离子束能谱也反过来佐证了不同强度的双色圆偏振激光脉冲抑制横向瑞利-泰勒不稳定性的有效性。第六章是对全文内容的简单总结以及未来工作的展望。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 激光技术的发展
•   1.2 激光与等离子体重要参数
•     1.2.1 激光参数
•     1.2.2 等离子体参数
•     1.2.3 带电粒子在平面电磁波中的运动
•     1.2.4 有质动力
•   1.3 激光驱动离子加速的研究背景
•     1.3.1 离子束癌症治疗
•     1.3.2 惯性约束聚变的“快点火”方案
•     1.3.3 质子束成像
•     1.3.4 核物理领域
•   1.4 Particle-In-Cell数值模拟
•   1.5 本论文内容结构安排
• 第二章 强激光驱动离子加速
•   2.1 引言
•   2.2 靶后鞘层加速
•     2.2.1 复合靶增强加速
•     2.2.2 斜入射激光
•   2.3 辐射压加速
•     2.3.1 钻孔辐射压加速
•     2.3.2 光帆加速
•   2.4 库仑爆炸加速
•     2.4.1 双层靶库仑爆炸
•     2.4.2 重离子库仑爆炸
•   2.5 无碰撞冲击波加速
•     2.5.1 离子声孤波
•     2.5.2 兰金-于戈尼奥关系
•   2.6 混合加速
•     2.6.1 光压-靶后鞘层混合加速
•     2.6.2 光压-尾波场混合加速
•   2.7 级联加速
•     2.7.1 级联靶后鞘层加速
•     2.7.2 级联辐射压加速
•   2.8 离子束品质的提升和控制技术
•     2.8.1 周期型结构靶的准直装置
•     2.8.2 电场整形技术
• 第三章 基于库仑爆炸机制的级联离子加速研究
•   3.1 引言
•   3.2 库仑爆炸理论介绍
•     3.2.1 库仑爆炸的激光阈值
•     3.2.2 库仑爆炸的流体描述
•   3.3 激光与微型管耦合作用下的库仑爆炸加速机制
•     3.3.1 多束激光径向辐照微管相互作用下的库仑爆炸
•     3.3.2 单激光轴向辐照微管相互作用下的库仑爆炸
•   3.4 本章总结
• 第四章 基于靶后鞘层加速机制的级联离子加速研究
•   4.1 引言
•   4.2 靶后鞘层加速机制理论介绍
•     4.2.1 鞘层场的形成
•     4.2.2 膨胀模型
•   4.3 靶后鞘层级联加速下的质子束纵向压缩
•     4.3.1 二维PIC模拟靶后鞘层场演化
•     4.3.2 靶后鞘层场演化调制压缩离子束纵向尺寸
•     4.3.3 靶后鞘层离子级联加速方案
•   4.4 靶后表面结构对于离子束横向聚焦的作用
•     4.4.1 带孔靶材对于离子束横向聚焦的作用
•     4.4.2 小孔直径对于横向聚焦能力的影响
•   4.5 本章总结
• 第五章 通过抑制瑞利-泰勒不稳定性提升RPA离子加速品质
•   5.1 引言
•   5.2 瑞利-泰勒不稳定性理论简介
•   5.3 钻孔辐射压加速机制下的瑞利-泰勒不稳定性的增长
•   5.4 利用两束激光抑制瑞利-泰勒不稳定性并提升离子束品质
•   5.5 本章总结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王慧超

导师: 翁苏明

关键词: 激光等离子体相互作用,激光驱动离子加速,靶后鞘层加速,库仑爆炸,瑞利泰勒不稳定性

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,核科学技术,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TN24;TL50

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000473

总页数: 121

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