超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸的粒子模擬研究

《超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸的粒子模擬研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由馬燕雲擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸的粒子模擬研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：馬燕雲
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

本項目的主要目的是研究超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸的粒子模擬的新算法，建立能夠快速模擬超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸過程的粒子模擬程式，在此基礎上，研究超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸的特點和規律，為中國工程物理研究院雷射聚變研究中心正在開展的雷射尾波場加速電子的實驗提供理論支持。超強雷射在大尺度電漿中傳輸時所發生的脈衝壓縮、成絲、自聚焦、自導引、偏轉等現象對電漿波的形成影響很大，會直接或間接地影響到尾波場加速器中高能電子的產生及其束流品質。而尾場加速所產生的相對論電子束除了可以製造台面型電子加速器外，對慣性約束聚變的研究也具有重要意義,甚至可以用來做粒子束武器。如果有了可重複的單色電子束，就可以造出窄帶飛秒X射線源和自由電子雷射器，從而可能極大地推動醫療科學和材料科學的發展，對工程物理研究院相關實驗診斷技術的發展有重要意義。

結題摘要

在聯合基金的支持下，本項目對超強飛秒雷射在大尺度電漿中傳輸問題做了深入研究，主要完成了以下工作：研究了保證大規模計算時粒子模擬程式高效深度並行的算法，成功把相關算法套用到目前的多維並行粒子模擬程式PLASIM3D中，經第三方測試，並行效率達到90%，實現了飛秒超強雷射在大尺度電漿中傳輸的快速粒子模擬計算，並利用粒子模擬程式研究了超強飛秒雷射在大尺度低密度電漿中傳輸的特點和規律；研究了雷射參數、電漿密度和分布等相關電漿參數對飛秒超強雷射傳輸和尾場加速中電子注入和捕獲的影響，在模擬中首次觀測到在空泡尾部的電子弓形波，細緻研究了電子弓形波對電子注入的影響。除此之外，配合中國工程物理研究院雷射聚變中心的實驗做了大量的粒子模擬，為相關實驗提供最佳化參數和實驗方案，開展了廣泛的國際合作，在2010.01-2010.6月期間馬燕雲赴日本宇都宮大學進行學術訪問和學術交流。在此期間，根據國際上最新的雷射尾波場加速的實驗和理論結果以及最新的研究趨勢，提出了多種電子注入方案。在這些研究的基礎上，還對未來雷射尾波場加速電子的套用展開了一些研究，與雷射聚變研究中心、大阪大學合作開展了超強雷射與光柵靶相互作用產生的超熱電子通過Smith-Purcell效應產生可調電磁輻射源的研究，相關成果發表在Physical Review Letters上。另外一篇關於高能電子產生輻射的文章發表在2013年的Physical Review Letters。 總之，本項目在程式、物理研究等方面很好的完成了研究目標，配合中國工程物理研究院雷射聚變中心的實驗做了大量研究工作，共發表論文17篇，SCI收錄13篇，EI收錄4篇，其中PRL文章2篇，PRE文章1篇，POP4篇，NJP1篇，國際會議邀請報告3次，培養博士2名，碩士6名，與中國工程物理研究院雷射聚變中心合作獲得軍隊科技進步一等獎1項（國防科大理學院為第二單位）。