论文摘要
近年来,超强超短激光脉冲与固体靶相互作用产生的高能质子和离子的研究在实验和理论上都取得了长足的进步。激光加速出来的质子束具有高能量、短脉冲、高流强、低发散度和良好的方向性等特点,这种质子束可以被广泛的应用于诸如高亮度离子源、紧凑型的高能加速器离子注入、癌症治疗、质子成像,温稠密物质生成和快点火等研究领域。在激光质子加速实验中,质子束的发散角以及产额随着激光和靶的不同会有较大的差异,而且发散角较大,而要将激光加速的质子用于实际的应用中必须对其发散角进行控制并提高激光-质子的能量转换效率。本文主要通过PIC模拟和实验对控制质子束的发散角及提高质子束的产额进行了重点的研究。本论文第一部分简要的介绍了强场物理和超短超强激光脉冲与等离子体相互作用中高能质子产生的理论和研究进展。接下来,对激光与物质相互作用中的能量吸收机制以及质子加速机制进行了详细的介绍。在本文的第二部分对PIC数值模拟的理论和算法进行了简要的介绍。最后,本文分别对质子束发散角的控制和质子产额的提高进行了实验和模拟研究。本文的实验是在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的超强超短激光装置—SILEX-I上进行的。通过测量CR39上的质子径迹来获得质子束的发散全角。首先设计了圆筒型的靶形并使用PIC模拟程序对圆筒靶质子加速的过程进行了研究,模拟结果表明圆筒靶内部的鞘层电场可以有效的聚焦圆筒靶端面发射的质子束。接下来开展了实验验证,在SILEX飞秒激光装置上,采用超短超强激光与不同长径比的圆筒靶获得了发散角远小于平面靶的质子束。结果表明采用圆筒靶可以使靶背向发射的质子束的发散角相对于普通的平面靶减小约2/3,这个结果很好的验证了模拟中的结论。此外,我们比对了不同长度的圆筒靶质子束发散角特性,结果表明在圆筒靶的筒长为983μm,1983μm和2983μm的情况下,质子束的发散角逐渐减小,考虑到圆筒的几何约束的影响我们推断圆筒结构靶型对于质子束发散角的控制存在一个最优长度。本文的最后部分介绍了激光-质子能量转换效率的PIC模拟和实验研究,PIC模拟结果表明ErH3产生的高能部分的质子（≥4MeV）的能量转换效率相对于CH4靶提高了125%模拟结果说明采用高Z富氢靶可以明显提高激光-质子的能量转换效率。此外,我们对ErH3靶和平面Cu靶的质子的产额进行了比较实验研究,结果表明ErH3靶的质子产额相对于平面Cu靶得到了明显提高。