超短强激光驱动氘代异核团簇核聚变反应中提高中子转化效率的理论研究

激光驱动含有氘元素的团簇爆炸能够产生高能氘核，氘核间发生碰撞引发核聚变具有较高的中子转化效率，从而为制造小型、方便和高通量台式中子源开辟了可能的新途径。然而能够结合实验实际的提高中子转化效率的可行性理论方案还鲜有报道。本课题从超短强激光、团簇和台式轻核聚变三个新学科的交叉点上开展工作，选用结构更复杂、对氘核加速更明显的氘代异核团簇作为激光作用靶，结合激光脉冲在团簇喷流中传输的非线性效应建立数值模型，模拟超短强激光与氘代异核团簇的相互作用过程并研究其内在作用机制，通过估算团簇间核聚变、束靶核聚变及可能的团簇内核聚变等三种模式的中子产额，获取决定中子产额及其转化效率大小的激光和团簇参数的匹配关系，对提高中子转化效率的可能途径（优化控制促进耦合，增强束靶聚变，序列脉冲激发等）进行理论探讨并结合实验辅证，为超短强激光激励氘代异核团簇作为台式中子源的实验方案提供可行的理论依据和崭新思路。

激光驱动含有氘元素的团簇爆炸能够产生高能氘核，氘核间发生碰撞引发核聚变具有较高的中子转化效率，从而为制造小型、方便和高通量台式中子源开辟了可能的新途径。然而能够结合实验实际的提高中子转化效率的可行性理论方案还鲜有报道。本课题是在超短强激光、团簇和台式轻核聚变三个新学科的交叉点上开展工作，建立简化的物理模型来模拟超短强激光与氘代异核团簇相互作用的动力学过程，寻求提高中子转化效率的可能途径。1) 我们采用三维粒子动力学模拟方法研究了甲烷团簇在超短强激光脉冲激励下的爆炸动力学行为，讨论了多种内电离机制对团簇爆炸过程中离子的价态和终态动能的影响。这些基础性结论有助于深入研究激光与团簇的相互作用机制以获得更高的离子能量。2) 建立完整的麦克斯韦-布洛赫方程，数值模拟了超短脉冲激光在一种分子介质中的传输过程。研究表明超短激光脉冲的相位对脉冲激光波形、频谱成分以及分子能级占有率产生明显影响。所得结论启发我们可以调整脉冲相位参数影响强场下团簇的爆炸过程。3) 研究了激光双脉冲序列在非线性介质中传输的时频演化特性，发现双脉冲序列的相干效应及与介质作用导致脉冲能量的转移，使脉冲发生重整形，从而影响脉冲序列与介质相互作用的动力学过程。4) 结合合作单位的实验测量结果，通过理论分析发现在飞秒强激光脉冲激发下，相同尺寸的乙烷团簇和甲烷团簇库仑爆炸产生的质子终态平均动能近似相等。经验估计表明相同实验条件下制备的乙烷团簇尺寸会比甲烷团簇尺寸更大，因而获得推论：氘代乙烷团簇比氘代甲烷团簇更适合作为激光驱动团簇核聚变反应的靶材，这或许是提高中子转化效率的一个有效途径。