超短超强激光与固体靶相互作用加速离子的机制研究

【摘要】： 随着超短超强激光技术的发展,利用激光轰击固体靶得到准单能的高能离子束在超高梯度加速器的小型化,质子束驱动核聚变,质子治癌以及作为传统加速器的注入器等方面有着重要的应用价值和科学意义。靶法线壳层电场加速机制(TNSA)是一个目前被普遍认可的描述激光轰击固体靶产生高能离子的加速机制,其理论基础是等离子体真空自由膨胀模型。但是目前没有一个合适的理论来描述在超短时间尺度具有非麦克斯韦分布的非准中性的等离子体膨胀,因而TNSA加速机制仍然很不清楚。 本论文从流体力学方程组和麦克斯韦方程组出发对等离子体真空自由膨胀过程进行了系统的研究。本论文的主要工作包括: 论文发展了一维等温等离子体真空膨胀的一般理论。在准中性假设下,将针对单一离子的等温等离子体真空自由膨胀的特解拓展到多离子混合的特解及一般解,并且很好地解释了相关的实验结果。论文建立了一个描述由高能电子尾巴加速离子的半自相似解析模型,并给出了离子最大速度的解析表达式。结果显示高能电子尾巴导致的离子加速比中性条件下的离子加速更为有效。论文还建立了离散模型,在原有自相似解的基础上考虑了超热电子回流效应对离子加速的影响,并进一步得到了时间相关的等温等离子体膨胀的解析解。这些描述中性、非准中性等离子体以及时间相关的解析解都是一般理论在特殊情况下的特解。 论文进一步得到了二维非准中性等温等离子体真空自由膨胀的自相似解。结果表明在目前的模型下等离子体的自生磁场对离子角分布的影响非常微弱。这个结论间接证明只依靠靶背加速并不会产生实验观察到的明显环状结构。 在考虑超热电子回流效应以及三维效应对离子加速的影响下,论文建立了一个先等温后绝热的两相的解析模型来预测离子加速的最大能量,和相关实验结果吻合得非常好。基于此模型,论文进一步给出了激光加速离子的定标率。 基于上述理论分析结果,论文对各个物理参量对激光加速离子的影响进行了详细讨论,并提出了一个微型锥形混合材料靶来优化离子加速的实验方案。