激光驱动高品质超阿尔芬电子束的关键物理问题研究

Laser driven high-quality super-Alfvénic electron beam is one of the most important physics issues in high energy density physics and inertial confinement fusion. In this proposal, we focus on the destabilizing mechanism of beam instabilities and the generation of high-quality super-Alfvénic electron beam. Topics to be addressed include: 1) The establishment and optimization of the necessary physical models for Particle-in-cell simulation including: the production of relativistic electrons in interaction of ultra-intense with overdense plasmas, the radiation loss of electrons inside the electromagnetic fields, the collsional effects of electrons in overdense plasma region, and so on; 2) The detailed analysis of the crucial physical processes which affect the beam quality, and the physics of the beam divergence; 3) The time and space evolution of beam instabilities and the dependence of the beam divergence on incident laser intensity; 4) The influence of pre-plasma, collsional effect, radiation loss on beam instability and beam quality; 5) New theory and new method for the generation of high-quality super-Alfvénic electron beam. This proposal complements ongoing efforts to the basic knowledge of laser driven particle accelerator, X-ray source and inertial confinement fusion.

激光驱动高品质超阿尔芬电子束是高能量密度物理和超高功率激光应用研究的重要物理问题之一。本项目将围绕束流不稳定性的抑制机理和高品质超阿尔芬电子束的产生开展研究，考虑相对论电子在电磁场中的辐射损耗和高密度等离子体中的碰撞过程，完善超高功率激光辐照高密度靶产生相对论电子的物理建模，发展与完善相应的数值模拟程序；抓住影响超阿尔芬电子束品质的关键物理问题，分析造成束流发散角的物理根源，研究束流不稳定性的时空演化行为，及其所引起的束流发散角与入射激光强度等参数的定标关系；以束流不稳定性的抑制机理为突破口，深入研究预等离子体、碰撞效应、辐射效应等对束流不稳定性和电子束品质的影响，研究获得高品质超阿尔芬电子束的新方法。本项目研究结果将有助于提高对激光驱动高能粒子加速器、X射线源和惯性约束聚变中的物理问题基本规律的认识。

围绕如何利用超强拍瓦激光驱动高品质超阿尔芬电子束这个核心问题，本项目发展和完善了满足拍瓦皮秒激光辐照固体靶和结构靶研究所需的2D3V和3D3V大规模高性能粒子模拟程序ASCENT及与流体程序配合的数据接口，开展了理论和数值模拟研究，完成了研究计划，获得了重要的、创新性的研究结果，促进了对激光聚变快点火物理基本规律的认识，并为激光聚变快点火靶物理设计提供了参考。. 本项目我所自主研发的数值软件平台JASMIN框架上编制了3D3V并行粒子模拟（PIC）程序，通过优化程序功能模块和物理模块，获得了细致研究超强激光与大尺度保密度靶相互作用中强流电子束产生和输运过程的数值模拟能力，通过采用Teravap后处理模块，获得了TB量级数据的并行可视化能力，实现了百亿个粒子规模的数值模拟研究，促进对激光等离子体相互作用的物理规律和机理的认识。. 本项目针对拍瓦-皮秒脉冲激光产生超阿尔芬电子束的产生和输运问题，相继研究了外加磁场对激光辐照平面产生强流粒子束能谱分布、角分布和激光转换效率等影响；研究了背景等离子体温度、碰撞效应、外加磁场等对束流不稳定性的影响；设计了不同靶结构或利用外磁场以控制电子束在靶内传输发散性从而提高加热效率问题，其中双层锥靶结构等已应用于快点火靶设计方案中，其有效性在神光装置实验中得到验证；此外，我们同样利用ASCENT程序研究了高能量密度等离子体中的一些重要基础前沿问题，所获成果得到国内外好评，并在国际上本领域专业杂志上发表。. 四年来，共完成文章10篇，成功研制数值模拟程序1个；组织会议5次，培养博士生2名，硕士生1名，完成了预定研究内容、达到了预期研究目标。