强激光-等离子体作用下粒子加速及其PIC模拟改进

强激光与等离子体相互作用有很强的非线性物理效应，能够加速带电粒子。激光驱动亚密等离子体产生的空泡其很高梯度的电场可以加速电子，而激光与固体靶作用时激光的辐射压可以加速质子或离子。如何提高被加速粒子的品质，即得到高能量、低能散度和低空间发散度的粒子束是当前强场加速的研究热点和难点之一。.本项目在前期已经开展的相关研究工作的基础上，从理论和PIC粒子模拟两方面重点并深入研究空泡加速与辐射压加速过程中激光与等离子体参数的作用和对被加速粒子品质的影响；离子加速中特别要考虑到非理想较实际的参数情形。研究目标是提供更多、更好的可供实验参考的理论和实验参数。本研究有着潜在的广泛应用前景，如加速器的小型化、医疗应用等。

随着强激光技术的快速发展，强激光与物质的相互作用表现出很强和很丰富的非线性物理效应与现象。如何提高被加速粒子的品质，即得到高能量、低能散度和低空间发散度的粒子束，以及如何理解超强场下正负粒子的产生等，都是当前强场物理的主流研究的热点和难点。本项目在前期相关研究工作的基础上，重点并深入研究空泡加速与辐射压加速过程中激光与等离子体参数的作用和对被加速粒子品质的影响，超强场的参数对正负电子对产生的影响。主要研究内容包括激光驱动亚密等离子体产生的空泡电子加速，激光与固体靶作用时激光的辐射压对质子和离子的加速，相关的PIC模拟技术的改进，以及超强场下正负电子对的产生等。.我们获得的重要结果有：（1）粒子加速研究，用稠密等离子体小块能改善空泡中的电子注入和提高电子加速的能量与流量，用负梯度等离子体密度结合空泡与辐射压联合加速机制提高了质子加速的品质，对目前较实际的激光和等离子体参数情形提出了改进的双凹面靶，也能提高质子加速的品质，例如质子能量在20MeV时的能散度从25%降低到9%。（2）PIC改进研究，在传统的PIC模拟程序中增加了辐射阻尼效应的影响，并对质子加速进行了研究；发展了一种用于磁化放电器件模拟的隐式静电PIC/Monte Carlo（PIC/MCC）模拟算法，同时使用了直接的隐式PIC算法（DPIC）和能量守恒，利用算法模拟了圆柱磁化靶聚变（MTF）的预电离过程并得到了量化的正确结果。（3）正负电子对产生研究，发现结合动力学辅助的施温格机制（Schwinger mechanism）和真空多缝干涉效应能极大地提高正负电子对的产额，发现产生粒子的总的粒子数密度与脉冲序列场的脉冲数目成线性关系， 证明了光子作为种子比电子作为种子更容易激发量子电动力学级联效应等。.我们关于粒子加速的研究对于ICF快点火和肿瘤治疗等方面具有重要的应用价值，也为现在及将来可能的实验提供一定的理论指导与帮助；对PIC模拟技术的改进与提高将对有正负电子产生情况的等离子体模拟起到促进和借鉴作用；超强场下正负电子对产生的研究不仅能解决很多理论上尚不清楚的问题，也有很大的实际应用价值，例如它是产生正电子源和反物质的一个有效的方法，此外也对理解天体中的某些现象，例如对脉冲星有正负电子和强磁场时的相关行为的认识和理解等都有很大的帮助。