拍瓦皮秒激光与固体靶相互作用中碰撞效应对快电子产生和输运的影响

碰撞效应对快电子的产生和输运的影响是拍瓦皮秒激光与固体靶相互作用中存在的重要物理问题之一。当拍瓦皮秒激光脉冲辐照固体靶时，靶表面在预脉冲的作用下迅速离化并向外膨胀，形成一个大尺度预等离子体，主脉冲激光在其中传播。由于等离子体密度变化较大，从低于临界密度增长至固体密度（～1000倍临界密度）。要准确地描述其物理过程，动理学效应与碰撞效应均应考虑。这对粒子模拟而言是一个很大的挑战。本项目将采用四阶插值算法来降低粒子模拟的数值噪音，同时考虑权重粒子间的相对论性碰撞效应，模拟研究快电子在靶表面低密度区域的产生和在固体密度物质中的输运。研究结果有助于提高对激光驱动高能粒子加速器、X射线光源及惯性约束聚变等物理问题基本规律的认识。

本项目针对拍瓦-皮秒激光与固体靶相互作用中强流电子束的产生和输运物理问题，发展了含碰撞模块和电离模块的高性能粒子模拟程序，围绕提高强流电子束的电流密度、控制其在高密度等离子体中输运时的发散角和减少能量损耗等问题，深入研究了拍瓦-皮秒激光与固体靶相互作用物理过程，特别是碰撞效应、磁场对强流电子束产生机制和输运效率的影响，取得的标志性成果为：1）通过不同密度和电阻率材料间的密度梯度和快电子束流方向的不平行量，产生了百兆高斯级别的准静态磁场，获得了准直性好的强流电子束；2）发现了背景等离子体温度与束流温度的各项异性能够有效抑制电流成丝不稳定性，从而能降低不稳定性对束流品质的不利影响；3）发现碰撞效应可以减弱等离子体密度的陡化行为，从而大大提高强流电子束产额。4）发现碰撞效应可以抑制束流不稳定性，从而减少了束流不稳定性磁场对强流电子束的随机散射，提高了束流品质。研究成果可用于激光聚变快点火方案，以提高激光沉积到热斑中的效率。