Particle-in-cell (PIC)编码广泛用于建模高强度激光脉冲固体和气体之间的相互作用的目标。通过使用完整的带电粒子动力学耦合的动力学描述为电磁场麦克斯韦方程,这样代码提供的详细描述激光能量沉积和稠密等离子体的高能电子的运输。PIC模拟的主要问题是由于显著的计算成本非常大的宏观粒子数目和空间网格分辨率需要解决德拜长度和等离子体。然而,最后一代的图片代码能够执行大规模数值模拟稠密等离子体的许多皮秒的时间尺度。

PICLS是1 d / 2 d / 3 d相对论图片代码。完整版,它占了粒子碰撞,辐射发射和传输,字段和碰撞电离允许描述等离子体在一个大范围的温度和密度。PICLS中的碰撞模型是基于概率的方法 23]。它完全在个人保存能量碰撞并保存平均动量的粒子。PICLS提供了可能性大的粒子密度梯度利用变权模型。电离模块基于Ammosov-Delone-Krainov模型( 24)场电离和托马斯-费米模型,萨哈模型,或碰撞电离模型( 25碰撞电离)。

简化noncollisional PICLS的2 d版本是用于本研究我们感兴趣的只有在粒子能量1兆电子伏以上能够诱发核反应,本质上更少的碰撞。目标被认为是平面衬托如图 1。

壹空间的目标是2毫米厚,4×4厘米²宽散装钨与其正面覆盖20 μ米的塑料(CH)。只有中部(200 μ10米宽, μ米厚,塑料制成的)建模的图片代码。

TS2的目标是由20 μ米厚,1×1毫米²广泛的塑料CH。只有中央部分是200 μ10米宽, μ米厚的建模。我们验证了带电粒子,质子和电子,是区域发出小于模拟盒子的大小。

模拟框呈现在图 3(一个)。模拟盒子是200 μ米长,203 μ米宽。固体目标是70 μ从左边边界。塑料层被建模为一个two-ion物种等离子体:质子与质荷比1和碳质荷比2。目标的初始电子密度是3.3十²³厘米⁻³,对应于固体塑料的密度。这是入射激光束的临界密度的300倍。初始温度设置为0: T _e= T _我= 0,以确保等离子体冻结前的高强度激光脉冲到达目标。作为目标然后由激光脉冲加热到凯文,这个选择并不影响无碰撞的吸收过程。

中使用的单元格大小PIC模拟在两个方向上都是14.7海里,时间步长是48.5 6碳离子,12个质子,在每个浆细胞和48个电子被初始化。因此,宏观粒子的总数是1.8数十亿美元。

前脉冲引发的preplasma总是与PW激光脉冲,与一个指数函数建模 n _e∝exp (− x/ l _n)与特征长度 l _n= 3 μm。preplasma的形状,前脉冲引发的,主要影响电子一代,因此粒子和辐射的发射。在这方面,小3 μm scalelength选择在我们的模拟对应preplasma产生的激光系统有一个很好的对比,10的顺序⁹-10年¹⁰,因为它是今天在几个激光系统实现。

在本文中,我们主要是限制我们的分析结果与脉冲持续时间0.5 ps的半最大值宽度波长为1.053 μm,这是最具代表性的大型设施如弧,花瓣,LFEX。长脉冲持续时间被认为是部分的 3.7。脉冲能量的范围从0.2到3.5 kJ对应于典型的高能量短脉冲激光的一系列操作。

高能粒子的特性主要取决于激光强度的目标,和,因此,在聚焦条件。这里,我们假定一个“现实的”激光点由一个中央激光点和强度的翅膀,因为这些总是出现在高能量短脉冲激光系统。给出了图的强度分布 4。再一次,这是系统的强度分布的定性表示像LFEX或花瓣。大约40%的激光脉冲能量中包含的主要点50 μm应用。大多数其余部分强度较低的分布在一个600的100倍 μ区m的半最大值宽度。在模拟中,我们只考虑激光脉冲的中心部分,只有这部分创建的高能粒子产生激活。因此,对于脉冲能量的范围从0.2到3.5 kJ,最大激光焦斑强度的变化从8×10¹⁸W /厘米²1.4×10^20.W /厘米²(假设一个上流社会的强度分布)。

在模拟中,时间和空间激光概要文件与截断高斯函数建模。激光脉冲的线性极化模拟飞机在正常的发病率。激光高斯在纵向和横向的方向。在横向方向上,高斯配置文件是横向模拟盒子大小的限制,而在纵向方向,总脉冲持续时间是其应用的2倍。这是通过适当选择相应的技术实现激光振幅的左侧边界模拟激光输入框。激光脉冲的总持续时间,进入模拟盒从左边界,因此1 ps。

执行参数扫描在合理的时间,有必要找到一个妥协在选择仿真参数。在非常高的激光能量和焦斑的50 μm,模拟盒子的宽度需要避免边界效应强烈限制可能执行大型参数扫描。因此,我们选择执行一组模拟的焦斑30 μ米在一个较小的模拟盒子。比较与50 μm焦斑是部分中讨论 3.6(30的焦点 μ米也有趣,因为这一直是衡量花瓣虽然不是在常规操作期间最大的激光能量)。

边界条件是期刊在横向方向上( y)和吸收激光的方向传播( x)。为了检索释放质子的总数,我们使用的源尺寸的保守估计 z方向是由激光应用。下面的结果不能精确预测实验结果。特别是,最大的质子能量可以由几个高估了百分之十。不过,他们足以随后激活计算。确实,高估了能量和高能粒子的数量(以合理的方式),我们得到一个“最坏情况”场景中,这很有趣,为了建立设施的安全规则。

激光能量的电子角和能量分布1和3.5 kJ呈现在图 5。小能量的光谱相似截止在较低的温度和较低的能量。

电子的角分布激光能量似乎不是很敏感。激光传播之间的变化轴和垂直平面小于2倍。另一方面,电子能量分布的形状指数的特点是一个热门的电子温度 T _他和截止能量 ε_e马克斯。 (1) d n e d ε e ∝ e − ε e / T h e 。

同意的理论和实验观察,最大的电子能量,热电子温度、和激光能量转换为热的效率电子, η _h,依赖于入射激光强度( 26- - - - - - 28)如下: (2) T h e ≃ 最小值 215年 我 拉斯维加斯 λ 拉斯维加斯 2 1 / 3 ; 511年 1 + 0.73 我 拉斯维加斯 λ 拉斯维加斯 2 − 1 凯文, ε e马克斯 ∝ 我 拉斯维加斯 λ 拉斯维加斯 2 1 / 2 , η h ≃ 0.108 我 拉斯维加斯 λ 拉斯维加斯 2 1 / 4 , 在哪里 λ_{拉斯维加斯}激光波长微米和吗 我_{拉斯维加斯}激光强度以10为单位吗¹⁸W /厘米²。第二项公式的热电子温度代表了著名的有质动力的扩展。在我们的模拟,脉冲持续时间和激光聚焦条件固定的,而这些代表热电子的依赖关系特点的激光脉冲能量。加速电子展示在表的特点 1。

图 6显示了角和能量分布的激光能量的质子3.5 kJ。质子发射强烈平行(不像电子)同意TNSA机制,占据这些激光强度( 29日, 30.]。发射角随质子能量的增加和不是很敏感的激光能量条件下研究了这里。能量分布可以用一个指数近似函数如下: (3) d n 我 d ε 我 ∝ e − ε 我 / T h 我 , 有效的温度 T _嗨和锐截止能量 ε _我马克斯。最大的质子能量,有效温度 T _嗨,用高能离子的总能量进行测量在这些模拟如表所示 2并在图 7作为总激光能量的函数。质子能量谱和角分布测量2.3 ps后当他们的最大能量饱和(增加不到2%在过去300 fs)。

薄的塑料目标(TS2),除了质子,碳离子也会加速。然而,他们的数量远小于质子(分析证实了汤森抛物线上的痕迹表现在最近的实验中 11每个核子])和他们的能量更小,因为他们比质子加速在稍后时间,即。电场时,有时已经减少(见,例如,Bychenkov et al。 31日])。因此,他们有一个小提示剂量影响,事实上,他们几乎不会导致激活,主要由中子,不带电,轻易地与目标的核材料互动。这些中子质子引起的或硬x射线光子,后来在文本中所示。

质子和电子的特点生成的图片模拟与以前的测量和扩展协议在其他出版物报道 27- - - - - - 30.]。

我们大多数的模拟进行了焦斑的30 μm以扫描较大的参数域。我们还模拟了一个更大的焦斑的50 μ为了验证扩展。在降低焦斑的强度约高2.5倍,我们的模拟结果可以部分高估高能电子和离子的生产。

为了证明这种效果,我们将获得的结果与50岁和30的焦斑 μ相同的激光能量的200 J。图 8代表了两个考虑电子和质子能量光谱焦斑大小。强度的增加的一个因素(50/30)²导致更高的电子和质子截止能量。然而,高能粒子的总数与能量大于1兆电子伏取决于总激光能量和仍然是差不多的。

我们已经考虑了脉冲持续时间0.5 ps。不过,可以使用脉冲持续时间更长,因为在某些情况下,它可以最大化质子和x射线。因此重要的是要研究快速粒子生成脉冲持续时间的影响。

在这种背景下,我们有模拟的情况下总激光能量的脉冲持续时间的kJ 1 ps。强度目标因此除以两个相比前一节中给出的情况下。比较电子和质子能量光谱的脉冲持续时间500 fs和ps如图1 9。可以看到,观察到的趋势与更短的脉冲持续时间没有显著影响,除了减少截止能量。

因此,在这个政权的激光能量,电子和质子能量光谱不非常敏感的脉冲持续时间的两倍,同时保持激光能量不变。获得的光谱与脉冲持续时间0.5 ps因此代表和相关的。

GEANT4模拟目标考虑,根据图 3钨制成的,是一个平行六面体与尺寸6×6×2毫米³。我们描述了电子源利用2 d 50高斯空间分布的标准偏差 μ与激光焦斑尺寸m,在协议。电子注入考虑他们的角分布与PIC模拟计算。他们沿着目标注入正常,即。,the symmetry axis of the angular distribution was aligned with the target normal (which in our specific case also coincides with the direction of the incident laser beam). The used computational volume was also a parallelepiped with dimensions 8 × 8 × 5 mm³。交互的图形表示几何图所示 3 (b)。laser-produced电子与PICLS模拟计算作为计算的输入电子传递和轫致辐射的发射光子的目标。因此,描述电子源的特点,我们直接使用电子能量和角分布在图 5(面板 一个和 b分别)。由于输入电子能量光谱覆盖动态范围在10¹²数量级,我们需要模拟大量粒子(10¹⁰10¹¹)为了获得一系列的光子,这不是强烈波动的影响,尤其是在高能尾巴。然而,仿真计算时间禁止在这种情况下(10⁹粒子对应的计算为1天)。为了克服这个问题,考虑到没有集体影响轫致辐射发射,我们执行独立的连续模拟通过考虑部分入射电子的能量范围减少粒子数(10⁸)。然后每个贡献是规范化的入射电子能量范围视为给定的PICLS模拟。总结所有的归一化贡献,full-photon频谱已经重建在keV规模微不足道的统计波动从10 keV数百兆电子伏。例如,图 10说明了这种方法应用到光子发射的能量谱的确定目标的后侧(光子)传播的激光脉冲能量200 J。

在我们的模拟,我们可以跟踪所有初级和次级粒子在计算体积。能源和角分布的电子、光子和正电子在前后端计算钨的目标。一般来说,我们可以注意到,许多事件电子反映大多数电子穿透目标的吸收。此外,一些正负电子对产生的高能光子。正电子与相邻原子的电子云和生产511 keV二级光子高峰。在低能量,离散荧光峰值出现在能量谱。他们的起源是由于热渗透到目标材料和生产内壳层电子碰撞电离。这样的内孔是由辐射复合,排放目标的特征线材料。在钨的情况下, K _α和 K _β行分别约59和69 keV。注意,只是之后 K _β山峰,系统的光谱可以解释为x射线吸收的崛起在目标上方K-edge能量,等于k层电子的结合能。

图 11介绍了光子能量光谱后方和前线目标表面发出激光脉冲能量的200年,500年、1000年和3500年J。目标内部的自吸收的影响尤为重要,下面的光子传输1兆电子伏。然而,在激活的背景下研究中,我们主要是感兴趣的更多的高能光子。在这个能源范围(上图1兆电子伏),类似于电子和质子光谱,光子能量分布可以以一个指数函数用一把锋利的。一般来说,这种能量截止稍高的传播比反射的光子。光子分布获得了更高的激光能量3.5 kJ光子有相似的特征,获得更高的温度。

图 12显示了背散射角分布和传播的光子。特别是,对于传播的光子,角分布几乎是各向同性的约70°传播轴的电子束。更大的角度,光子传播目标平面平行,因此,因为吸收强度迅速下降。反映光子也有角分布,而各向同性又下降的方向接近飞机目标表面。

摘要的蒙特卡罗模拟二级排放的特点提出了表 3并在图 13。我们观察如下: (我)

的分数反映电子从最低的激光能量的50%减少30%在最高能量。背散射电子的有效温度是略小于入射电子的温度由于其与电子碰撞的目标。

平均能量和光子数是向后的方向更小比正向这里热电子温度考虑。

因此,我们假设,作为最大化假说,反散射光子传播的光子具有相同的特征。发射正电子的数量小于电子的数量相同的能量,激活他们的贡献将会被忽视。

特别感兴趣的是电子的转换效率的扩展在GEANT4 /佩内洛普模拟光子激光能量。我们的估计是符合实验结果在较小的激光能量。例如,转化率几个百分比的激光系统∼100 J激光能量在密集的射线照相法测量对象(见,例如,( 34])。这是一个非常重要的结果:通过增加激光能量效率的提高multi-kJ激光系统可能是重要的几个应用程序,特别是关心摄影的可能性的密集的对象(例如,破产颗粒在惯性约束聚变实验和其他上下文)。

建模的主要和次要粒子与MCNPX代码传输已经完成三维空间考虑实验大厅的几何形状和位置代表诊断位于10厘米的后侧的目标。模拟在三个连续的步骤进行。

首先,计算运输的中子,质子,和硬x射线与MCNPX执行代码以确定辐射通量的空间和能量分布( 19]。中子、质子和光子谱计算在每一个体积与足够的能量分辨率用于以下的计算。质子,提示外部剂量辐射通量的计算通过使用icrp - 74系数( 35)和参考资料。 36]。这些结果代表剂量交付在实验大厅的偶然的个人的存在。

其次,利用中子、质子和光子谱计算,反应速率为每个粒子材料和类型分别计算。库存的所有生产radionuclei使用Tendl2012库执行。这允许推导radionuclei产生的空间分布在不同的材料在不同的冷却时间。这部分的计算与代码执行FISPACT-II [ 20.]。激活的目标是评估在这个级别。

整个计算序列如图 14。

潜在的风险都被评估为TS1, TS2实验,为光子,质子,次级中子(图 15)。在我们的计算中,我们假定一个室半径5米(典型的设施如NIF或LMJ) 10厘米的铝和40厘米的混凝土。很明显,接近室壁剂量取决于半径的平方反比。激活放射性核素的总数,集成在full-solid角4 π相反,独立于室半径。

光子和中子剂量诱导促使壹空间目标分布相当均匀实验大厅。一剂大约10毫西弗,主要是由于光子,计算接近室壁kJ (@3.5)。

质子和中子诱发提示从TS2目标剂量很低。根据TNSA过程,定向强辐射观测的方向正常到目标。剂量约为1.5毫西弗预计在两个方向(@3.5 kJ)。次级中子总数的为0.5毫西弗。它可以注意到,在实验特别好激光相比,质子的排放是对称观察前后两侧的一层薄薄的激光辐照目标(见,例如,Ceccotti et al。 37),对比比10¹⁰和激光强度5 10¹⁸W /厘米²)。这意味着前脉冲等离子体强度远低于阈值的形成。在我们的例子中,很厚的目标和存在preplasma(小但仍然重要)预防观察这种对称的发射。

在图 15,我们没有评估提示剂量逃逸电子的目标直接相关。这些电子也将现在和将向外传播室壁和混凝土屏蔽。然而,众所周知,只有少数电子能够逃脱的目标(由于感生电荷分离),可能会无法穿过靶室壁(LMJ而言,这是由10厘米的铝+ 40厘米的混凝土),因此不会导致提示剂量外室。事实上,他们将产生轫致辐射x光室,但是考虑到他们的低数量的贡献不显著。

放射库存强烈取决于元素建模中选择安装,在几何配置,他们的交互点的距离(太极拳:目标室中心),和在他们的成分。因此库存需要考虑所有的元素与一个重要的质量和/或靠近源有不可忽视的影响运输的粒子和辐射。

在这项研究中,是一个代表插入设备和诊断,我们考虑一个铝卷的激活位于10厘米从目标正常的背面。

为TS2拍摄(最坏情况)和激光能量3.5 kJ,铝的具体活动达到超过700 Bq / g值10分钟后。放射性核素,这导致大多数这样的活动²⁷毫克(半衰期9.5分钟),²⁸艾尔(半衰期2.2分钟)²⁴Na(半衰期14.66小时)。然而,激活衰减指数随着时间的推移,它减少了大约10 Bq / g的水平三个小时后拍摄(主要贡献者²⁴Na和²⁷毫克)。

还有一个危险的诊断污染的扩散激活目标和持有者。这里,我们考虑一个目标在一个铝轴,我们假定目标持有人组成的1 g的铝和10毫克的胶两种类型的目标。的真正成分铝一直在考虑传输代码(铝5083含镁、锰等)。表 4给的总活动从壹空间碎片,TS2目标随着时间的推移,和放射性核素作出更大贡献。