强流质子束与固体靶相互作用的数值模拟研究

Laser wakefield acceleration can produce intense, short pulse proton beams at small focal spot (~ 10μm). Solid metal film can be warmed up to dense warm state when interacting with these beams, which is an effective way to study high energy density physics in laboratory. During the interaction of intense proton beams with solid targets, the electrons are heated by the beams, resulting in high-density and low-temperature strongly coupled plasma, which can be only modeled by quantum hydrodynamics (QHD). In order to study this process, we will develop a self-consistent spin QHD model and QHD/Particle-In-Cell model. Using these models, we will study the interactions of intense proton beams with the metal-solid targets. The proton beam energy loss process, the collective excitation and the formation of warm dense state of the target electrons, will be studied, especially on the spin effects. This study can reveal not only the basic physical properties of warm dense matter in high energy density physics not yet been clarified, and is also expected to have implications in research of fast ignition scheme for inertial confinement fusion.

强激光驱动的质子束与固体靶相互作用过程中，固态金属靶中的电子气可以被质子束等容加热到数eV，从而产生高密度低温度的强耦合量子等离子体。该方法是实验室研究温稠密物态和高能密度物理的一种有效途径，必须采用量子流体方法(Quantum Hydrodynamics, QHD)才能准确描述。本研究将建立自洽的自旋量子流体(Spin QHD)和量子流体/粒子模拟(QHD/Particle-In-Cell)模型。利用该模型我们将研究质子束与金属固体靶相互作用时，质子束的能量损失过程、靶电子的集体激发及被加热形成温稠密物质的过程，特别是电子自旋对于上述过程的影响。本研究不仅能够揭示目前尚不清楚的温稠密物质和强耦合等离子体的基本物理性质，也有望为惯性约束聚变的快点火研究提供参考。

强激光驱动的质子束与固体靶相互作用过程中，固态金属靶中的电子气可以被质子束等容加热到数eV，从而产生高密度低温度的强耦合量子等离子体。该方法是实验室研究温稠密物态和高能密度物理的一种有效途径，需要采用量子流体方法(Quantum Hydrodynamics,QHD)描述。本研究建立了自洽的自旋量子流体(Spin QHD)和量子流体/粒子模拟(QHD/Particle-In-Cell)模型。利用该模型我们研究了质子束与金属固体靶相互作用时，质子束的能量损失过程、靶电子的集体激发及被加热形成温稠密物质的过程。结果说明(1)量子效应对阻止本领的调制是明显的，其中自旋效应最为明显，而且高速时不趋于零，且决定于自旋取向，可能出现负的阻止本领；(2) 二维电磁QHD模拟结果说明由于自生磁场的存在，电子气密度和温度的扰动都趋于平衡位置；(3) QHD/PIC方法更适合于模拟质子的动力学运动，而纯流体模型只能给出质子束运动的平均效果。我们也采用量子流体模型研究了表面等离激元的边缘态，包括二维手性（chiral） Berry等离激元的边缘模式、边缘态的谷极化、自旋边缘态的传输过程，和金属薄膜和介质表面等离激元的色散关系。结果表明：（1）量子统计压强的引入导致了一个新的单方向传播的手性边缘模式，对等离激元边缘态的研究作出了一定贡献。（2）谷极化发生在特定的一个谷内，取决于伪磁场强度及电子的初始平衡密度。（3）在自旋输运过程中，克尔旋转（Kerr rotation）发生在皮秒量级的时间内。（4）量子效应显着改变了色散关系，所以纳米尺寸或高密度等离子体系统中，需要考虑量子效应，可以通过薄金属膜和介电材料的类型来控制，该结果对于量子光学及表面等离子体研究有着重要的作用。我们发展的QHD和SQHD模型和程序，不仅是粒子束驱动温稠密物态领域的有力模拟工具，对于凝聚态物理、光学和低温等离子体物理也有重要的意义和广泛的应用。