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     

强激光与双锥靶作用加速准单能质子束

提出了一种新型的双锥靶结构用于准单能质子束加速。利用二维PIC粒子模拟程序研究了强激光与双锥靶作用加速产生质子束的物理过程以及质子束品质。双锥靶产生的质子束在峰值能量和发散角度等方面都明显优于相同激光条件下单锥靶和平面靶的结果。尤其与平面靶相比,双锥靶质子束的峰值能量提高了5倍以上,而且很好地保持准单能性。一方面双锥靶的内锥部分是临界密度材料,提高了激光的吸收效率;另一方面双锥靶内形成了更强的准静态磁场,可以约束引导更多的超热电子传输过锥尖,进而增强加速质子束的鞘层电场。     

强激光锥型靶真空电子加速数值模拟研究

真空激光加速机制具有加速场梯度大、加速电子电量高的优点,目前制约真空加速机制研究发展的主要问题是如何产生具有一定初速度的电子并将其注入加速场。提出了一种利用强激光与锥型靶相互作用产生高能电子并实现真空加速的新方法,利用二维PIC(Particle-in-cell)粒子模拟程序对这一方法进行了研究。模拟结果显示,对于光强为1021 W/cm2量级的高斯激光脉冲,产生了能量为GeV量级、发散角约为1°的强流快电子束。此外还通过理论解析和参数模拟研究了靶半径对这种超热电子加速机制的影响。     

次稠密等离子体对激光与锥形靶相互作用的影响

利用三维粒子模拟程序模拟了强激光在锥形靶内的传播情况.发现锥内次稠密等离子体的存在使激光在锥顶部的最大聚焦强度有所降低，产生的相对论电子的最大能量和数目增加.激光在锥壁激发起强的电流和磁场，次稠密的存在还使锥内产生强的准静态磁场，磁场的存在使相对论电子速度分布在垂直激光传播方向上表现出各向同性. 关键词： 超强激光脉冲 锥形靶 快点火 粒子模拟     

强激光与等离子体相互作用中沿靶表面发射的高能超热电子

在强激光与等离子体相互作用研究中，文章作者从实验上首次观测到沿靶面方向发射的高能超热电子束．该电子束只有在等离子体电子密度标长较短的条件下才会出现。数值模拟表明，靶表面电磁场的约束作用是产生这束电子的主要原因。这一结果有助于加深对激光惯性约束聚变快点火实验中的锥靶物理过程的理解，并有潜在的应用前景。     

飞秒激光辐照铝靶产生快电子发射的实验和模拟研究

采用实验和数值模拟研究了飞秒激光辐照铝靶产生的快电子发射.实验中,在主脉冲前加上一个预脉冲产生预等离子体,然后主脉冲与预等离子体作用产生快电子.在激光反射方向附近,实验测量的快电子束发射与数值模拟的结果高度地一致;在靶背面,发射的快电子的数目小于数值模拟的结果,原因在于快电子在靶内输运受到电荷分离场和碰撞的影响;在数值模拟中未出现的,沿靶表面发射的快电子束,是由表面准静态电磁场的禁闭效应产生.     

电子束放射照相的特性与参数优化

短脉冲强激光产生的电子束具有源尺寸小、脉宽窄、准单能谱等特点, 在放射照相诊断中具有独特作用. 本文通过分析电子在材料中散射并采用蒙特卡罗方法数值模拟, 研究了100 keV到几百MeV能量电子束对有厚度起伏或存在界面的靶的透视, 并与质子、X射线束透视结果比较, 给出了电子束放射照相的特性与参数优化: 基于电子在材料中非弹性散射或能量损失, 选用能量使其射程与靶厚度接近的电子束来诊断靶厚度不均匀性; 基于电子在材料中的弹性散射, 选用射程超过靶厚度的电子束来诊断靶界面.     

利用轫致辐射谱回推超热电子温度

超短超强激光打靶产生的超热电子与固体靶相互作用时会产生轫致辐射X射线。利用蒙特卡罗方法,对电子在固体靶中传输产生的轫致辐射X射线进行了模拟。1 MeV电子束与固体靶作用产生的轫致辐射谱模拟结果表明,轫致辐射谱高能段斜率受靶厚度及靶材料的影响不明显。麦克斯韦分布的电子束及单能电子束与30 m铜靶作用的模拟结果显示,两种电子源产生的轫致辐射谱在电子束能量或温度较高时基本一致。给出了一种利用轫致辐射谱斜率反推超热电子温度的定标方法。模拟了不同温度下超热电子产生的轫致辐射光子的能量角分布及光子数角分布,结果显示辐射光子能量通量和光子数随着电子温度的提高越来越向前倾,并给出了另外一种由轫致辐射能量角分布反推超热电子温度的定标关系。     

飞秒激光辐照铝靶产生快电子发射的实验和模拟研究

采用实验和数值模拟研究了飞秒激光辐照铝靶产生的快电子发射。实验中,在主脉冲前加上一个预脉冲产生预等离子体,然后主脉冲与预等离子体作用产生快电子。在激光反射方向附近,实验测量的快电子束发射与数值模拟的结果高度地一致;在靶背面,发射的快电子的数目小于数值模拟的结果,原因在于快电子在靶内输运受到电荷分离场和碰撞的影响;在数值模拟中未出现的,沿靶表面发射的快电子束,是由表面准静态电磁场的禁闭效应产生。     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟

直接驱动惯性约束聚变(ICF)的实现需要对靶丸进行严格的对称压缩,以达到自持热核反应(点火)所需的条件.快点火方案的应用降低了对靶丸压缩对称性以及驱动能量的要求,但压缩及核反应过程中良好的靶丸对称性无疑有助于核反应增益的提高.本文研究了快点火方案中高能电子注入高密等离子体后导致的各向异性电子的压强张量.这一现象存在于ICF快点火方案中的高能电子束"点火"及核反应阶段.鉴于高能电子加热离子过程以及靶丸核反应自持燃烧过程的时间较长,高密靶核会由于超高的各向异性压强的作用破坏高密靶丸的对称性,降低核燃料密度,进而降低了核燃料燃烧效率以及核反应增益.     

激光入射角对靶面方向超热电子发射的影响

实验研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的超热电子角分布随激光入射角的变化.在靶面方向观测到一束方向性很好的高能超热电子.该高能超热电子束的电子数目随着激光入射角的增大而增大.对结果的分析表明，表面准静态磁场是导致表面电子产生的主要原因. 关键词： 超热电子 表面准静态磁场 超强激光脉冲与等离子体相互作用     

强激光与柱腔靶作用下准直高能电子束的产生

利用二维PIC粒子模拟程序研究了超短超强激光脉冲与柱腔靶相互作用产生的表面超热电子加速现象。采用光强为1021 W/cm2量级的超高斯激光脉冲掠入射进入柱腔靶,在靶的内壁上观察到了GeV量级的表面超热电子。超热电子束被准静态的电场和磁场约束在内壁表面附近,保证了电子束的准直性,发散角仅为1.6°;并且由于超热电子束在纵向激光电场中加速了mm级的距离,激光到高能电子(100 MeV)的转换效率达到了26.6%。另外,通过多参数模拟和理论解析讨论了激光的光强以及横向空间分布对这种表面超热电子加速的影响。     

Characterization of relativistic electrons generated by a cone guiding laser pulse

We demonstrated the interaction of a gold cone target with a femto second(fs) laser pulse above the relativistic intensity of 1.37×10 18 μm 2 W/cm 2.Relativistic electrons with energy above 2 MeV were observed.A 25%-40% increase of the electron temperature is achieved compared to the case when a plane gold target is used.The electron temperature increase results from the guiding of the laser beam at the tip and the intense quasistatic magnetic field in the cone geometry.The behavior of the relativistic electrons is verified in our 2D-PIC simulations.     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

Optimum hot electron production with low-density foams for laser fusion by fast ignition

We propose a foam cone-in-shell target design aiming at optimum hot electron production for the fast ignition. A thin low-density foam is proposed to cover the inner tip of a gold cone inserted in a fuel shell. An intense laser is then focused on the foam to generate hot electrons for the fast ignition. Element experiments demonstrate increased laser energy coupling efficiency into hot electrons without increasing the electron temperature and beam divergence with foam coated targets in comparison with solid targets. This may enhance the laser energy deposition in the compressed fuel plasma.