《強雷射-電漿作用下粒子加速及其PIC模擬改進》是依託北京師範大學，由謝柏松擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：強雷射-電漿作用下粒子加速及其PIC模擬改進
- 依託單位：北京師範大學
- 項目負責人：謝柏松
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
強雷射與電漿相互作用有很強的非線性物理效應，能夠加速帶電粒子。雷射驅動亞密電漿產生的空泡其很高梯度的電場可以加速電子，而雷射與固體靶作用時雷射的輻射壓可以加速質子或離子。如何提高被加速粒子的品質，即得到高能量、低能散度和低空間發散度的粒子束是當前強場加速的研究熱點和難點之一。.本項目在前期已經開展的相關研究工作的基礎上，從理論和PIC粒子模擬兩方面重點並深入研究空泡加速與輻射壓加速過程中雷射與電漿參數的作用和對被加速粒子品質的影響；離子加速中特別要考慮到非理想較實際的參數情形。研究目標是提供更多、更好的可供實驗參考的理論和實驗參數。本研究有著潛在的廣泛套用前景，如加速器的小型化、醫療套用等。
結題摘要
隨著強雷射技術的快速發展，強雷射與物質的相互作用表現出很強和很豐富的非線性物理效應與現象。如何提高被加速粒子的品質，即得到高能量、低能散度和低空間發散度的粒子束，以及如何理解超強場下正負粒子的產生等，都是當前強場物理的主流研究的熱點和難點。本項目在前期相關研究工作的基礎上，重點並深入研究空泡加速與輻射壓加速過程中雷射與電漿參數的作用和對被加速粒子品質的影響，超強場的參數對正負電子對產生的影響。主要研究內容包括雷射驅動亞密電漿產生的空泡電子加速，雷射與固體靶作用時雷射的輻射壓對質子和離子的加速，相關的PIC模擬技術的改進，以及超強場下正負電子對的產生等。 我們獲得的重要結果有：（1）粒子加速研究，用稠密電漿小塊能改善空泡中的電子注入和提高電子加速的能量與流量，用負梯度電漿密度結合空泡與輻射壓聯合加速機制提高了質子加速的品質，對目前較實際的雷射和電漿參數情形提出了改進的雙凹面靶，也能提高質子加速的品質，例如質子能量在20MeV時的能散度從25%降低到9%。（2）PIC改進研究，在傳統的PIC模擬程式中增加了輻射阻尼效應的影響，並對質子加速進行了研究；發展了一種用於磁化放電器件模擬的隱式靜電PIC/Monte Carlo（PIC/MCC）模擬算法，同時使用了直接的隱式PIC算法（DPIC）和能量守恆，利用算法模擬了圓柱磁化靶聚變（MTF）的預電離過程並得到了量化的正確結果。（3）正負電子對產生研究，發現結合動力學輔助的施溫格機制（Schwinger mechanism）和真空多縫干涉效應能極大地提高正負電子對的產額，發現產生粒子的總的粒子數密度與脈衝序列場的脈衝數目成線性關係， 證明了光子作為種子比電子作為種子更容易激發量子電動力學級聯效應等。 我們關於粒子加速的研究對於ICF快點火和腫瘤治療等方面具有重要的套用價值，也為現在及將來可能的實驗提供一定的理論指導與幫助；對PIC模擬技術的改進與提高將對有正負電子產生情況的電漿模擬起到促進和借鑑作用；超強場下正負電子對產生的研究不僅能解決很多理論上尚不清楚的問題，也有很大的實際套用價值，例如它是產生正電子源和反物質的一個有效的方法，此外也對理解天體中的某些現象，例如對脈衝星有正負電子和強磁場時的相關行為的認識和理解等都有很大的幫助。
