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特殊构型靶对激光质子加速特性的影响

作　者: 李蒙
导　师: 谷渝秋
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 强场物理
关键词: 超强超短激光圆筒靶质子加速发散角产额能量转换率
分类号: TN241
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,超强超短激光脉冲与固体靶相互作用产生的高能质子和离子的研究在实验和理论上都取得了长足的进步。激光加速出来的质子束具有高能量、短脉冲、高流强、低发散度和良好的方向性等特点,这种质子束可以被广泛的应用于诸如高亮度离子源、紧凑型的高能加速器离子注入、癌症治疗、质子成像,温稠密物质生成和快点火等研究领域。在激光质子加速实验中,质子束的发散角以及产额随着激光和靶的不同会有较大的差异,而且发散角较大,而要将激光加速的质子用于实际的应用中必须对其发散角进行控制并提高激光-质子的能量转换效率。本文主要通过PIC模拟和实验对控制质子束的发散角及提高质子束的产额进行了重点的研究。本论文第一部分简要的介绍了强场物理和超短超强激光脉冲与等离子体相互作用中高能质子产生的理论和研究进展。接下来,对激光与物质相互作用中的能量吸收机制以及质子加速机制进行了详细的介绍。在本文的第二部分对PIC数值模拟的理论和算法进行了简要的介绍。最后,本文分别对质子束发散角的控制和质子产额的提高进行了实验和模拟研究。本文的实验是在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的超强超短激光装置—SILEX-I上进行的。通过测量CR39上的质子径迹来获得质子束的发散全角。首先设计了圆筒型的靶形并使用PIC模拟程序对圆筒靶质子加速的过程进行了研究,模拟结果表明圆筒靶内部的鞘层电场可以有效的聚焦圆筒靶端面发射的质子束。接下来开展了实验验证,在SILEX飞秒激光装置上,采用超短超强激光与不同长径比的圆筒靶获得了发散角远小于平面靶的质子束。结果表明采用圆筒靶可以使靶背向发射的质子束的发散角相对于普通的平面靶减小约2/3,这个结果很好的验证了模拟中的结论。此外,我们比对了不同长度的圆筒靶质子束发散角特性,结果表明在圆筒靶的筒长为983μm,1983μm和2983μm的情况下,质子束的发散角逐渐减小,考虑到圆筒的几何约束的影响我们推断圆筒结构靶型对于质子束发散角的控制存在一个最优长度。本文的最后部分介绍了激光-质子能量转换效率的PIC模拟和实验研究,PIC模拟结果表明ErH3产生的高能部分的质子(≥4MeV)的能量转换效率相对于CH4靶提高了125%模拟结果说明采用高Z富氢靶可以明显提高激光-质子的能量转换效率。此外,我们对ErH3靶和平面Cu靶的质子的产额进行了比较实验研究,结果表明ErH3靶的质子产额相对于平面Cu靶得到了明显提高。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-22
  1.1 强场物理  9-11
  1.2 激光质子加速研究进展  11-14
  1.3 激光质子加速的应用  14-21
    1.3.1 质子成像  14-16
    1.3.2 癌症治疗  16-18
    1.3.3 质子加热产生温稠密物质  18-20
    1.3.4 其他应用  20-21
  1.4 本文研究的主要内容和目的  21-22
第二章激光质子加速基本理论  22-34
  2.1 强激光与等离子体的相互作用  22-23
  2.2 激光等离子体相互作用中的能量吸收机制  23-27
    2.2.1 逆韧致吸收  24
    2.2.2 共振吸收  24-25
    2.2.3 真空加热  25
    2.2.4 J×B加热机制  25-26
    2.2.5 反常趋肤效应  26-27
  2.3 质子加速物理机制  27-34
    2.3.1 靶背鞘层加速机制(TNSA)  27-28
    2.3.2 靶前质子加速机制  28-31
    2.3.3 稳相加速机制  31-32
    2.3.4 静电激波加速机制  32-34
第三章 PIC数值模拟  34-40
  3.1 PIC模拟简介  34-35
  3.2 等离子体数值模拟原理  35
  3.3 数值模拟的算法  35-37
    3.3.1 数值模拟的维度  36
    3.3.2 粒子运动的处理  36-37
  3.4 PIC模拟程序的计算步骤  37-38
  3.5 计算平台  38-40
第四章激光质子加速实验平台  40-49
  4.1 实验平台介绍  40-41
  4.2 辐射变色膜（RCF）  41-43
  4.3 固体核径迹探测器(CR39)  43-45
  4.4 Thomson离子谱仪  45-49
    4.4.1 工作原理  46-47
    4.4.2 Thomson谱仪参数  47-49
第五章控制质子束发散角的研究  49-67
  5.1 质子束发散的原因  49-50
  5.2 控制质子束发散角的一些途径  50-54
  5.3 靶的设计  54-55
  5.4 PIC模拟研究  55-61
    5.4.1 平面靶的电场  56
    5.4.2 圆筒靶聚焦电场  56-58
    5.4.3 质子的运动轨迹  58-59
    5.4.4 质子的能谱  59-60
    5.4.5 电子回流  60-61
  5.5 圆筒靶质子聚焦实验研究  61-66
    5.5.1 实验布局  61-62
    5.5.2 实验数据及处理  62-65
    5.5.3 实验结果及讨论  65-66
  5.6 结论  66-67
第六章提高激光质子能量转换效率的研究  67-75
  6.1 PIC模拟研究  69-72
    6.1.1 激光-质子能量转换效率的计算.  69-70
    6.1.2 ErH_3的能量转换效率模拟  70-71
    6.1.3 CH_4的能量转换效率模拟  71
    6.1.4 ErH_3与CH4的能量转换效率的比较  71-72
  6.2 实验研究  72-74
  6.3 结论  74-75
全文总结  75-76
研究展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-81
附录  81

特殊构型靶对激光质子加速特性的影响

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