多孔阵列靶中超热电子定向输运机制的数值模拟研究

In fast ignition (FI) of inertial confinement fusion (ICF), the hot electrons generated in the generated in intense laser-solid interactions are the main carrier of energy transportation. Therefore, the generation and transportation of hot electrons are the essential physics of FI. Enhancing the hot electron yield and controlling the electron beam divergence can effectively increase the laser energy conversion efficiency. Recently, the multihole array target with high hot electron yield and effective guiding and collimated transport of hot electrons has become a research hotspot. Our primary research suggests that, the electron generation efficiency increases with the interval. While, the electron beam divergence angle decreases with the interval, even a double-peak emission can be observed. This can reduce the overall energy coupling efficiency and result in have some application limitation on IF. In order to control the electron beam divergence and improve the beam quality, we should have a deep understanding on the electron transportation and collimation mechanism. Therefore, we will carry out this project. We perform particle-in-cell (PIC) simulations research on the hot electron transportation in the multihole array target irradiated by intense laser pulse. By investigating the effects of the parameters of target structure and laser pulse on the beam divergence, the physical mechanism of guiding and collimated transport of hot electrons in the multihole array target will be explored. And then, we will reveal the principle and method which can effectively regulate and control the hot electron beam divergence. The research result of this project has great scientific significance and practical application value for the study of FI.

在惯性约束聚变快点火中，强激光与固体靶相互作用产生的超热电子是能量传输的主要载体。因此，超热电子的产生及传输过程是快点火的关键核心问题，提高超热电子产额，控制电子束发散，可有效提高激光能量转换效率。因多孔阵列靶能有效提高超热电子产额且对电子束有一定的导向传输作用而成为目前的研究热点。我们初步研究发现，随着孔间距变大，超热电子产生效率明显提高，但同时束发散角变大甚至出现双峰发射结构，使整体的能量耦合效率降低，对快点火应用有一定的局限性。为了控制电子束发散，提高束流品质，必须深入理解超热电子的输运过程及准直原理。因此，我们拟开展本项目，利用PIC粒子模拟方法研究强激光脉冲与多孔阵列靶相互作用中超热电子的传输过程，通过分析靶结构及脉冲参数对电子束发散的影响，探索超热电子在多孔阵列靶中准直传输的物理机制，揭示有效调控电子束发散的原理与方法。该项目的研究成果对快点火研究有重要的科学意义和实用价值。

超强激光脉冲与固体靶相互作用中超热电子的产生及其准直传输一定距离对很多方面的应用都很重要，如惯性约束聚变快点火、质子加速、正电子产生等。本项目中，我们首先利用二维粒子模拟方法研究了靶结构及激光脉冲参数对多孔靶中超热电子产生及输运的影响。随着孔间距和激光强度的增大，超热电子数目和最大电子能量增大。在此基础上，我们研究了等离子体通道靶内电子产生和传输过程。结果，超热电子可通过激光直接加速到很高的能量。但是对于长距离输运时电子束发散严重。为了提高传输效率，我们提出了内层为近临界密度的双层锥-通道靶，有效提高了周期性电子束的长距离输运。且前向电子积分能通量和激光能量耦合效率可以提高约三倍。我们还发现内层厚度并无明显影响。为了进一步分析准直机制和条件，我们通过改变等离子体密度、激光强度和激光焦斑尺寸研究了其对通道内部激光传输、超热电子产生及传输的影响。我们发现等离子体密度较低时，激光可以在通道内稳定传输。此外，在内边界附近产生的较强的角向磁场和双层的径向电场可以在相当长的时间和距离内始终导向和准直超热电子束。随着激光强度的增大，激光脉冲经过多次衍射可以在通道内稳定传输。而且电子束可以被较强的界面电磁场更好地准直。随着激光焦斑的增大，前向电子积分能通量稍微增大，同时激光能量耦合效率降低。我们还研究了双层多孔靶中超热电子的传输。发现相对较大的孔间距、占空比和丝阵单元直径有利于提高电子传输效率。还研究了利用复合双层靶产生优化拖延加速场提高质子束品质。这些结果表明，选择使用合适的靶结构和激光参数，可以稳定地引导激光脉冲的传输并显著提高电子和质子束流品质，这对于激光产生高品质电子束和辐射源有实际应用意义。