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超强激光在低密度等离子体中的传播及高能电子产生的粒子模拟研究

作　者: 陈湛
导　师: 邵福球；马燕云
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理学
关键词: 超强激光完全匹配层吸收边界等离子体通道电子捕获
分类号: O531
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 31次
引　用: 3次
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内容摘要

超强激光脉冲技术的迅猛发展,极大的促进了人类对于激光等离子体物理的研究。本文围绕超强激光与低密度等离子体相互作用中的一些重要问题—超强激光在低密度等离子体中的传播和尾波场加速中电子注入与捕获进行了二维粒子模拟研究。本文的研究工作是借助于2D3V粒子模拟程序PLASIM来开展的。首先根据课题研究的需要,从Berenger完全匹配层吸收边界的基本思想出发,导出了高斯制电磁场方程所对应的完全匹配层控制方程及所对应的参数设置方法,并编制了相应的吸收边界模块加入到PLASIM中,实现了较好的吸收效果。本文的一个重要研究工作是对“快点火”方案中超强激光在冕区低密度等离子体中开辟通道及点火脉冲在预制等离子体通道中的传输进行了分区模拟。模拟结果表明:超强激光能够在较低密度等离子体中形成准直的抛物形密度分布的通道,但在近临界密度处,等离子体中通道很快出现偏折。与线偏振激光相比,圆偏振激光所开辟的通道更有利于后续点火脉冲的传播。在等离子体通道形成后,激光能够沿着等离子体通道传播而不发生偏折。与此同时,基于PML吸收边界的实现,我们在较小的窗口内对激光预脉冲与稀薄等离子体长时间相互作用过程进行了模拟研究,模拟结果表明:激光强度以及作用时间是影响等离子体密度改变的重要因素,超强激光( I₀> 10¹⁹W/cm²)的高强度预脉冲有质动力长时间的累积效应会在稀薄等离子体中引起较大的密度变化。本文的另一个工作是针对激光尾波场加速提出了通过预置薄膜靶来增强电子捕获的方案并进行了模拟研究。模拟结果表明:预置薄膜靶能够显著增强电子捕获并有助于形成孤立子空泡尾场结构,通过优化靶参数,捕获电子的数目可以增加到普通尾场加速的5倍以上。已有的研究表明,空泡加速是获取准单能电子束的重要机制之一。初步分析认为:激光在击穿薄膜靶的过程中产生的大量具有定向速度的高能电子是引起捕获增强的主要原因。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-24
  1.1 超短脉冲激光技术的发展  11-12
  1.2 激光等离子体物理  12-20
    1.2.1 激光等离子体物理的发展  12-13
    1.2.2 激光等离子体相互作用的特点  13-15
    1.2.3 激光等离子体物理的重要应用领域  15-20
  1.3 激光等离子体物理的研究方法和粒子模拟  20-23
    1.3.1 激光等离子体物理的研究方法  20-21
    1.3.2 粒子模拟基本方法和研究进展  21-23
  1.4 本章小结  23-24
第二章 PML吸收边界在2D3V粒子模拟中的实现  24-36
  2.1 Benrenger完全匹配层的基本原理  24-26
  2.2 高斯制下完全匹配层的理论推导  26-28
  2.3 数值验证和参数优化  28-32
    2.3.1 时谐场源在真空中的传播  28-29
    2.3.2 TE波在波导中的传播  29-32
  2.4 PML边界在PIC程序中的吸收性能分析  32-35
    2.4.1 定性考察  32-33
    2.4.2 量化评估  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章激光等离子体通道的粒子模拟研究  36-48
  3.1 超强激光在冕区等离子体中形成通道的研究  36-42
    3.1.1 超强激光在较低密度等离子体中的传播  37-40
    3.1.2 超强激光在近临界密度等离子体中的传播  40-42
  3.2 超强激光在预制等离子体通道中传输的研究  42-44
  3.3 ns量级预脉冲在极稀薄等离子体中形成通道的研究  44-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章激光尾波场加速中薄膜靶增强电子捕获的模拟研究  48-58
  4.1 激光尾波场加速中的电子注入与捕获  49-50
  4.2 预置薄膜靶的激光尾波场加速电子模拟  50-55
  4.3 薄膜靶靶参数的优化  55-57
  4.4 本章小结  57-58
全文总结与展望  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-66
作者在学期间论文发表及获奖情况  66-67
附录：部分彩图  67-69

超强激光在低密度等离子体中的传播及高能电子产生的粒子模拟研究

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