【摘 要】
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近年来,激光与等离子体相互作用的离子加速因其具有高的加速梯度及小型化等优点,引起了人们的广泛关注.激光与等离子体相互作用产生的高品质离子束在许多领域都有着十分重要的应用,如癌症治疗、惯性约束聚变、实验室天体物理学等.目前,主要的离子加速机制有靶后鞘层加速、静电激波加速、辐射压力加速等.其中,辐射压力加速因其能量转换率高,能产生高品质的离子束等优点,而被认为是有前途的离子加速机制之一.目前,在辐射压
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近年来,激光与等离子体相互作用的离子加速因其具有高的加速梯度及小型化等优点,引起了人们的广泛关注.激光与等离子体相互作用产生的高品质离子束在许多领域都有着十分重要的应用,如癌症治疗、惯性约束聚变、实验室天体物理学等.目前,主要的离子加速机制有靶后鞘层加速、静电激波加速、辐射压力加速等.其中,辐射压力加速因其能量转换率高,能产生高品质的离子束等优点,而被认为是有前途的离子加速机制之一.目前,在辐射压力加速的理论及数值模拟研究中,为了得到高品质的离子束,常采用理想的超强激光与超薄靶相互作用来加速离子,但这给实验操作带来了极大的挑战性.本学位论文立足目前实验室实际激光薄膜靶参数及非理想条件,提出了两种在实验中更容易实现的辐射压力加速新方案,一种是利用双束超高斯激光与固体薄膜靶相互作用辐射压力加速质子,另一种是利用单束高斯激光与近临界密度复合靶相互作用辐射压力加速质子,并用PIC模拟对两种新方案进行了验证,均得到了高品质的质子束.具体如下:1.对于辐射压力加速来说,超宽超强的激光有助于产生高品质的离子束.但是由于激光能量的有限性,在实验中产生这样的激光具有一定的困难.因此在本学位论文中提出了利用两束激光得到一束超宽超强激光的两种方案.在方案1中,为了克服超宽激光强度的有限性,利用辅助激光与主激光在强度上进行叠加.在方案2中,为了克服超强激光脉宽的有限性,利用辅助激光与主激光在脉宽上叠加形成一束超宽超强的激光.通过二维PIC模拟发现,这两种方案中的质子可以在激光光压作用下长期稳定的加速.与单激光脉冲相比,质子的数目和能量都显著增加了.此外,还研究了辅助激光的参数,如强度、焦斑半径和脉宽对质子加速的影响.结果表明当辅助激光参数在一定范围内改变时,方案具有很好的鲁棒性.利用现有的实验室激光等离子体参数,该方案可获得1.2Ge V的单能高品质质子束.2.在辐射压力加速中,常使用理想条件下的超高斯激光与超薄薄膜靶相互作用.但薄膜靶的厚度只有几十到几百个纳米,如此薄的靶不仅自支撑性能较差,也给实验操作带来了较大的难度.实验室中的激光通常是高斯激光,但高斯激光会导致靶弯曲和质子发散,为了获得高品质的离子束,在理论与数值模拟中常使用超高斯激光.为了增加靶的厚度,提升靶的自支撑性,提出选择使用近临界密度靶.但在超强激光的辐照下,近临界密度靶会由于相对论自透明,而无法实现辐射压力加速的过程.因此提出在近临界密度靶前附加一层高密层来组合成复合靶.为了解决高斯激光导致的质子发散问题,提出利用外加纵向磁场对质子进行约束.因此,本学位论文研究了外加磁场约束下高斯激光与近临界密度复合靶的辐射压力加速质子.通过二维PIC模拟发现质子的发散程度减小,准直性有所提升.
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