强激光驱动的温稠密离子源及其在聚变中子源中的应用

Based on the scheme of ultra-intense laser-driven neutron source, the generation of the warm-dense-ion beams and their applications in fusion-neutron sources by interaction with convertor targets will be investigated theoretically and numerically. We will propose new mechanisms to produce these warm-dense ion beams and achieve their effective focusing. Besides, by regulating the properties of warm-dense ion sources, the feasibilities for significantly improving both the number and quality of the induced neutrons will be also explored. Based on these, we shall give the scaling law between the neutron production number and laser-target parameters, which would be helpful for providing the technical support and theoretical reference for experiments and applications of neutron sources in future.

针对强激光诱导中子源的物理方案，结合理论分析和数值模拟方法，研究强激光驱动的温稠密离子源及其与转换器靶相互作用产生聚变中子的动力学过程，提出强激光加速产生温稠密离子源和实现离子聚焦的新机制；研究通过调控温稠密离子源特性来提升中子产额和改善束流品质的可行性，给出激光和靶参数与中子产额之间的定标关系，为将来开展中子源实验及其应用研究提供技术方案和理论参考。

激光中子源具有焦斑小、脉冲宽度短、束流密度高等优势，因此在快中子共振射线照相法、核医学和中子散射等领域具有重要应用价值。本项目利用理论分析和数值模拟方法研究了强激光驱动的温稠密离子源及其在聚变中子源中的应用。首先，在课题组粒子模拟程序中添加了Voronoi diagram粒子融合算法和束靶中子产生模块，使其能够模拟超强激光与高Z物质的相互作用及其诱发中子产生的过程。其次，开展了一系列针对性研究，研究表明：1）超强超短激光脉冲与等离子体微通道靶相互作用可以实现离子截止能量和激光至离子能量转换效率的一个量级增强，这是由于激光脉冲在微通道内诱发横磁模具有极强纵向电场，电子在该电场和激光有质动力作用下得到充分加速，进而大幅改善了激光靶背鞘层离子加速效果。2）提出了利用超强超短激光驱动碳氢弓形靶实现质子有效加速和聚焦的物理方案。研究发现，在质子的加速和聚焦过程中，存在着库伦爆炸场和鞘层场，而库仑场占主导地位。对于强度为2.4×10^21 W/cm^2的激光脉冲，可产生稠密的能量密度约为3×10^17 J/m^3的质子束团。3）提出了多束超短超强激光驱动投掷-转换靶相互作用实现高效离子加速及聚变中子产生的物理方案，将最大中子体产生率相对同等激光能量的单束激光方案提高出一个数量级。此外，给出了中子产额与激光强度、入射角、激光焦斑横向间距等参量的依赖关系。4）将基于等离子体微通道靶的强激光驱动离子加速研究拓展至激光光核中子源的研究领域，提出了相对论飞秒激光驱动微结构靶产生高产额光核中子的新机制，中子产额相对于当前光核中子源实验记录提升一个数量级。此外，我们还取得了一系列关于电子在稠密磁化等离子体中的能量沉积、激光驱动高次谐波和高亮γ射线辐射、稠密正负电子对的产生等方面的研究成果。本项目的研究对基于当前百太瓦和数拍瓦激光装置的激光离子加速和中子源的实验研究能够提供重要参考。