基于辐射压力加速的高品质离子束产生的研究

来源 :西北师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jhwangseagull
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相较于传统的加速器,基于激光等离子体相互作用的粒子加速机制的加速梯度高出前者三个量级,可以极大地缩小加速器的尺寸,在较短距离内就可以获得能量很高的带电粒子束。因此,基于激光等离子体相互作用的粒子加速方案在许多领域都有着重大的应用,比如桌面型加速器,癌症的重离子疗法,惯性约束聚变中的“快点火”等。其中,辐射压力加速由于能量转换率高,加速离子束的品质好等优点,是目前最被看好的离子加速机制之一。在理论上,通过辐射压力加速可以获得高品质的准单能离子束。但在实际实现过程中,依旧存在许多问题。在本学位论文中,针对辐射压力加速中存在两个问题:一是传统辐射压力加速实验中使用的超薄靶的自支撑性能差的问题,二是普通横向高斯激光对薄膜靶产生的不均匀辐照,导致靶的弯曲变形与不稳定性发展的问题.我们提出了对应的解决方案,并通过理论分析以及PIC模拟,对方案进行了验证。具体如下:  1.在传统辐射压力加速实验中,所使用的薄膜靶的厚度只有几十到几百个纳米.如此薄的靶其自支撑性能较差,因此会增加实验操作的技术难度。如果能够通过增加靶的厚度,提升靶的自支撑性能,那么最好的选择就是使用近临界密度靶。但在超强激光的强度下,近临界密度靶会由于相对论自透明现象,而无法实现辐射压力加速过程。因此我们提出使用超薄薄膜靶与近临界密度靶组成的复合靶的方案,是通过增加靶的厚度,提高了靶的自支撑性能。利用超薄层的致密电子层对激光产生有效阻挡,降低其在近临界密度层内的传播速度,同时产生足够强的加速电场,在近临界密度层中实现有效的辐射压力加速的钻孔过程。通过一维的PIC模拟,我们发现激光在近临界密度层中,不再表现为传播过程,而出现了辐射压力加速的钻孔过程,并在钻孔结束后,形成了准电中性的加速结构。最后,通过有效且稳定的辐射压力加速过程,得到了一束准单能离子束。在二维的PIC模拟中,我们得到了类似的结果。  2.当一束普通的横向高斯的激光辐照在固体薄膜靶上时,必然会在靶上产生不均匀辐照,从而造成靶的弯曲变形以及不稳定性的发展。最终,这样的加速过程会直接导致加速的提前终止,并使加速离子束的品质变差。为了克服这一问题,我们提出了使用双束相向传播的匹配的横向高斯激光与薄膜靶相互作用的方案.在给定主脉冲条件下,在靶的另一侧引入另一束辅助脉冲。通过理论分析,我们得到了匹配的辅助横向高斯激光所要满足的参数条件。在给定主脉冲参数的条件下,我们得到了一组辅助激光的匹配参数。根据这组参数,我们进行了二维的PIC模拟,并与单束激光的加速结果进行了比较。我们发现,通过我们提出的方案,靶的弯曲变形以及横向不稳定性得到很好的抑制,靶得到了较为均匀的加速,最终得到了一束高品质的准单能离子束。同时,我们还对辅助激光的不同参数对加速离子品质的影响进行了研究。
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