超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子的产生

用2D3V PIC粒子模拟方法得到了超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子产生的图像，并对其机理进行了研究。在靶前后表面都观察到了高能离子的产生，并诊断了离子能谱。模拟结果表明，在靶前表面所产生的高能离子，角分布较大，在向靶内输运过程中会损失能量；在靶后表面产生的高能离子，定向性很好，能获得很高的能量。模拟得到的离子能量和实验观测结果在量级上相符。     

强激光与高密度气体相互作用中电子和离子加速的数值模拟

在现有的一维粒子模拟程序的基础上发展了带光电离和碰撞电离及蒙特卡罗两体碰撞的模拟程序(1D PIC-MCC). 用此程序模拟研究了短脉冲激光与He气靶相互作用时电子和离子的加速过程. 研究表明当强激光与过临界密度的微米厚度的平面靶相互作用时，靶前表面物质将被激光脉冲前沿迅速离化；新生的电子被激光场有质动力加速成为高能电子，这些电子穿入到靶内，通过电子碰撞电离离化靶内物质；一部分高能电子穿透靶后，会在靶的后表面形成强的电荷分离场，该场迅速离化靶后表面物质，同时使得后表面离子得到加速. 部分穿透靶的超热电子将被电荷分离场重新拉回靶内，在靶的前后表面振荡. 一些振荡电子在此过程中得到电荷分离场加速，离开前表面，在前表面也形成电荷分离场，使前表面离子得到加速. 关键词： 激光等离子体 光电离和碰撞电离 电子加速 离子加速     

叠靶研究

 直线感应加速器（LIA）产生的高能、强流电子束与轫致辐射靶作用能够产生具有高剂量、小焦斑的X光，但伴随产生的回流离子会导致电子束束斑变大与X光分辨率降低，在多脉冲情况下更会影响到后续电子束的束靶作用等。叠靶结构能够增大束靶作用的立体空间，降低在靶面的能量沉积，可有效抑制回流离子的产生。对叠靶结构模型进行了理论计算与实验研究，并与单靶情况相比较，证实了在两种靶结构下所得到的X光照射量大小与角分布基本相同，但对于叠靶情况下靶面没有出现烧蚀现象，从而从根本上抑制了由靶面产生回流离子而对束流产生的过聚焦效应。     

飞秒激光中高能质子的产生与加速的研究

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能质子的产生和加速机制,在超短超强激光装置“SILEX-I”上进行了飞秒激光与平面固体薄膜Cu靶的相互作用中高能质子空间分布、能谱和产额的实验研究。实验采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质子空间分布、能谱和产额。实验结果表明：质子沿着靶背法线方向发射,质子空间分布呈圆环状,存在一定的立体角;质子在一定能量处出现截断;截断能量的大小与靶厚度有关。经分析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的TNSA加速机制则占主导地位。     

飞秒激光中高能质子的产生与加速的研究

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能质子的产生和加速机制,在超短超强激光装置“SILEX-I”上进行了飞秒激光与平面固体薄膜Cu靶的相互作用中高能质子空间分布、能谱和产额的实验研究。实验采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质子空间分布、能谱和产额。实验结果表明：质子沿着靶背法线方向发射,质子空间分布呈圆环状,存在一定的立体角;质子在一定能量处出现截断;截断能量的大小与靶厚度有关。经分析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的TNSA加速机制则占主导地位。     

利用汤姆逊离子谱仪测量超短超强激光质子能谱

本文给出了利用汤姆逊(Thomson)离子谱仪测量超短超强激光与等离子体相互作用中产生的高能质子能谱的一种方法.该方法是利用Thomson离子谱仪(平均磁场强度为0.167 T,电场加高压为3000 V,电场强度约为0.429 MV/m)和固体核径迹探测器CR39相结合,在固体靶背表面测量了激光的高能质子能谱.结果显示:质子沿着靶背法线方向发射,质子在一定能量处出现截止,截止能量与靶厚度和靶材料密切相关.分析认为,靶法线鞘层加速(TNSA)机制是质子能谱分布及能量截止的主要原因.     

等离了体源离子注入球靶的蒙特—卡罗模拟

建立了在球形靶鞘层中蒙特－卡罗模拟模型，考虑了离子与中性粒子的电荷交换碰撞和弹性散射，以及精确依赖于入射离子能量的电荷交换碰撞截面和动量输运截面。模拟了不同气压下，在鞘层扩展过程中，氮离子Ｎ＾＋２到达靶表面的能量分布和入射分布，研究了它们的变化规律。     

强激光与细锥靶相互作用产生强流高能电子束的研究

本文提出采用了强激光与细锥形靶作用, 产生大量定向高能电子, 用于快点火激光聚变方案研究. 通过PIC 模拟, 研究了细锥靶和激光脉冲的各项参数, 对产生高能电子的影响. 模拟发现, 细锥靶开口10° 时能够产生较多的高能电子, 当开口角度逐渐增大时, 高能电子的能量和数目都有一定程度下降. 若为细锥靶加上预等离子体, 产生的高能电子的数目将大大提高, 而最高的电子能量将会下降. 中等能量的电子加速主要由于激光有质动力加速, 而高能量的电子加速主要由于电子感应加速. 随着激光脉宽的增加, 高能电子的数量直线上升. 关键词： 细锥形靶 电子加速 感应共振加速     

超强激光与固体气体复合靶作用产生高能氦离子

激光氦离子源产生的MeV能量的氦离子因有望用于聚变反应堆材料辐照损伤的模拟研究而得到关注.目前激光驱动氦离子源的主要方案是采用相对论激光与氦气射流作用加速高能氦离子,但这种方案在实验上难以产生具有前向性和准单能性、数MeV能量、高产额的氦离子束,而这些氦离子束特性是材料辐照损伤研究中十分关注的.不同于上述激光氦离子产生方法,我们提出了一种利用超强激光与固体-气体复合靶作用产生氦离子的新方法.利用这种方法,在实验上,采用功率密度5×10~(18)W/cm~2的皮秒脉宽的激光脉冲与铜-氦气复合靶作用,产生了前向发射的2.7 MeV的准单能氦离子束,能量超过0.5 MeV的氦离子产额约为10~(13)/sr.二维粒子模拟显示,氦离子在靶背鞘场加速和类无碰撞冲击波加速两种加速机理共同作用下得到加速.同时粒子模拟还显示氦离子截止能量与超热电子温度成正比.     

高能通量脉冲电子束作用下钽靶破坏初步研究

 使用Monte-Carlo程序MCNP在2维情况下模拟得到了高能通量脉冲电子束在钽金属靶中的能量沉积。根据能量沉积的模拟结果以及实验后靶上穿孔的大小和形貌，提出了电子束对不同结构钽金属靶破坏的物理机制。由于能量沉积的差异，1 mm实心靶中的热激波在一定时间内沿径向和轴向持续对靶材进行压缩，而在叠靶中这种压缩效果并不明显，因此实验后1 mm实心靶上穿孔的大小几乎是叠靶上的两倍。根据理论模型分析得到的靶材熔融喷射和层裂现象与实验结果相吻合。     

Proton acceleration from high-intensity laser interactions with thin foil targets

Measurements of energetic proton production resulting from the interaction of high-intensity laser pulses with foil targets are described. Through the use of layered foil targets and heating of the target material we are able to distinguish three distinct populations of protons. One high energy population is associated with a proton source near the front surface of the target and is observed to be emitted with a characteristic ring structure. A source of typically lower energy, lower divergence protons originates from the rear surface of the target. Finally, a qualitatively separate source of even lower energy protons and ions is observed with a large divergence. Acceleration mechanisms for these separate sources are discussed.     

高密度平面靶等离子体中激光驱动冲击波加速离子的能谱展宽

本文对超短超强激光脉冲辐照高密度等离子体产生的静电冲击波加速离子的能谱展宽机理进行了数值研究.着重讨论了三种冲击波加速离子的能谱展宽机理:能量沉积到离子中使得冲击波前沿不断减速,被加速离子与背景粒子的碰撞,以及高能离子到达靶背面时受到鞘层场进一步加速.还研究了驱动激光脉冲宽度对冲击波加速离子能谱宽度的影响. 关键词： 激光等离子体 冲击波加速 能谱展宽     

Ion acceleration at the front and rear surfaces of thin foils with high-intensity 40-fs laser pulses

Ion acceleration from the front and rear sides of a foil target is observed by measurements of the ions’ spectral and spatial emission characteristics when irradiating the targets with ultrashort (40-fs) high-intensity laser pulses. The experimental results show that the origin of accelerated ions, from both the front and rear surfaces of the target, strongly depend on the laser energy absorption mechanism. In particular, laser pulse parameters such as pulse duration and contrast are crucial and determine the entire acceleration scenario. Thus, the experimental outcome can be controlled by selection of the irradiation conditions. The text was submitted by the authors in English.     

飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前后超热电子能谱的比较

采用电子谱仪测量了飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前和靶后产生的超热电子能谱.结果显示：靶前超热电子能谱的峰出现在约430 keV处，靶后超热电子能谱的峰出现在约175 keV处；靶前超热电子的有效温度分别为218 keV和425 keV，靶后超热电子能谱出现“软化”现象，其有效温度分别为96 keV和347 keV.靶前和靶后超热电子能谱明显不同是由于超热电子输运穿越过密等离子体和冷材料的靶，并在靶后建立Debye鞘，鞘电场使靶后超热电子能谱峰向低能端移动，鞘电场和自生磁场导致靶后超热电子能谱产生“软化”，估算出的鞘电场小于激光电场.     

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为了研究靶材料对快电子能量分布的影响,采用电子谱仪测量了飞秒激光与Cu和CH靶相互作用中在靶前和靶后产生的快电子能谱。结果显示,在靶前Cu和CH靶的快电子能谱相似,反应了快电子发射对靶材料的依赖性较弱;在靶后Cu和CH靶的快电子能谱具有明显的差异,说明电子的输运过程与靶材料密切相关。冷电子环流以及自生磁场是导致Cu靶快电子能谱"软化"的原因,而对于CH靶麦克斯韦分布的快电子能谱主要由碰撞机制决定。     

钝头体流场结构及俯仰动态特征分析

钝头体跨声速段稳态流场的数值模拟结果显示,其尾流区内含有丰富的流场结构,流场结构直接影响着钝头体的后体压力分布.自由振动数值模拟结果显示,钝头体在跨声速区出现动不稳定,最终进入极限环振动.通过分析发现,在振动过程中,钝头体前体对流场做正功,释放钝头体振动能量,抑制振幅增加,流场对钝头体后体做正功,增加钝头体振动能量,导致振幅增加,当两者相等时,振动进入极限环状态.     

Ion acceleration in a solitary wave by an intense picosecond laser pulse

Acceleration of ions in a solitary wave produced by shock-wave decay in a plasma slab irradiated by an intense picosecond laser pulse is studied via particle-in-cell simulation. Instead of exponential distribution as in known mechanisms of ion acceleration from the target surface, these ions accelerated forwardly form a bunch with relatively low energy spread. The bunch is shown to be a solitary wave moving over expanding plasma; its velocity can exceed the maximal velocity of ions accelerated forward from the rear side of the target.     

Acceleration of ions with a nonadiabatic linearly polarized laser pulse

Acceleration of ions during interaction of a nonadiabatic laser pulse (i.e., a pulse with a sharp front) with a nanofilm is considered. If the amplitude of such a pulse is large enough, all electrons are removed from the target at the beginning of interaction and an energy of the most energetic ions follows approximately a parabolic law with time. Two main physical mechanisms limiting the maximal ions energy are identified and investigated in detail with the help of two-dimensional (2D) particle-in-cell (PIC) simulations. The first effect is a compensation of the ions charge due to the longitudinal return of the electrons to their initial position. The second effect is the compensation of the ions charge in the laser spot due to the transverse motion of the electrons from the periphery of the target. The theory for both effects is developed and a good agreement with the 2D PIC results is established. This theory allows predicting the optimal parameters for ions acceleration.     

Laser-triggered quasi-monoenergetic ion beams at a moderate intensity and pulse duration

Plasma produced by short laser pulses from thin homogeneous foils with light and heavy ions is capable of generating quasi-monoenergetic light ions. This happens for the tail of light ions near the front of heavy ions. It was found that this effect is well pronounced for a moderate laser intensity (～10¹⁸ W/cm²) and pulse duration (～1 ps) by using a 2D particle-in-cell simulation of the laser interaction with thin CD₂ foils. Quasi-monoenergetic deuterons form a jet from the rear side of the foil with the energy ～1 MeV. The conversion efficiency to these quasi-monoenergetic ions is 10^?3.