强激光-靶相互作用中巨磁场的产生及其对粒子束和X射线品质调控的理论和模拟研究

Laboratory generation of giant magnetic fields is of significance to many research areas, including plasma and beam physics, laboratory astrophysics, material science, and atomic and molecular physics. The tremendous magnetic fields with hundreds or thousands Tesla levels can be driven using laser pulses interactions with solid targets. A significant progress has also been made in generating strong magnetic fields with laser-driven coils using laser pulses. We will focus on the mechanisms of generation of huge magnetic field and optimizing parameters. The influence of so gigantic magnetic fields on the status of plasma and controlling of particle properties will be investigated, some new physics and matching condition are be expected to be achieved. We will explore hydrodynamics of super strong transient current and the generation of tremendous magnetic field. Particle-in-cell and Monte-Carlo simulation codes will be applied to study the influence of magnetic field on the properties of particle beams and X ray emission. The controlling the spread of electrons, protons or X rays will be explored by adding a huge magnetic field. The proton and X rays radiographing techniques will be demonstrated numerically. The results may be useful for the diagnosis of inertial confinement fusion, novel diagnosis tools and high energy density physics.

实验室产生的巨磁场在等离子体物理、束物理、实验室天体物理、材料科学和原子分子物理等领域都有着重要的应用，激光-靶相互作用可在等离子体或真空中驱动高达几百或上千特斯拉的超强磁场，是产生巨磁场的重要手段，在惯性约束聚变、新型诊断源和高能量密度物理等方面有着重要应用。近几年，强激光-金属线圈靶产生巨磁场脉冲取得了较大的进展，受到了极大的关注。本项目将聚焦激光-靶相互作用激发超强瞬态强电流和产生巨磁场的物理机理研究，开展物理参数优化设计，通过理论分析，研究激光-靶相互作用产生瞬态超强电流的动力学过程和产生巨磁场的物理机理，开展大量的粒子模拟和蒙特卡罗模拟，研究巨磁场对电子束发散、质子束品质和X射线特征的影响，提出优化方案，演示质子源和X射线源的照相应用，为实验研究提供理论参考，为巨磁场在惯性约束聚变物理、新型诊断源物理研究等方面提供理论依据。

本项目的研究工作按照原定的计划进行，完成了预期目标。 . 本项目研究了激光-靶相互作用中巨磁场产生的物理机理，提出了利用巨磁场提升高能电子、质子或离子品质的多个物理方案，通过数值模拟分析了改善粒子束品质的物理机理，验证了物理方案的有效性，并优化了靶参数。提出的物理方案提高了电子束、质子束和X射线品质，为演示质子源和X射线源的照相等应用提供了理论参考。开展了超强激光等离子体产生高次谐波和太赫兹辐射的研究，为超强激光应用提供理论参考。本项目还针对激光惯性约束聚变等离子体，研究了外加磁场对激光等离子体不稳定性（LPI）抑制的物理研究，研究了黑腔等离子体中的多个LPI问题，提出了外加磁场抑制LPI的物理方案，所获得的结论和物理规律可为ICF提供理论参考。