文摘
影响固体nanolayers嵌入在laser-driven均分密度等离子体无碰撞的冲击加速度是利用二维particle-in-cell模拟研究。由于nanolayers之间的相互作用和入射激光,额外的热生成电子和非均匀磁场诱导。因此,无碰撞的冲击中钢筋nanolayer目标没有结构化nanolayers相比差距。当激光强度 ,静电场的振幅增加了30%,冲击速度增加从0.079摄氏度到0.091摄氏度,导致增强的峰值能量和截止能量加速质子,从6.9到9.1(兆电子伏兆电子伏12.2伏,20.0兆电子伏,分别。此外,nanolayer缺口的宽度的影响进行了研究,通过调整nanolayers的间隙宽度,和最佳nanolayer设置无碰撞的冲击加速度可以获得。
1。介绍
离子加速通过激光等离子体相互作用[1)已经吸引了广泛关注与超短的快速发展,近几十年来超强激光技术。以其独特的特点,如高能源和小散度(2),它有潜在的科学应用在各种各样的方面如惯性约束聚变(ICF) (3- - - - - -6),肿瘤治疗(7,8),和质子成像(9,10]。提出了几个laser-driven离子加速机制并观察实验在过去的几十年中,包括目标正常鞘加速度(TNSA) [11,12),辐射压力加速度(战)13- - - - - -15),跑火加力燃烧室(BOA) [16,17),磁涡流加速度(MVA) [18,19),无碰撞的冲击加速度(CSA) [20.- - - - - -22]。其中,区域规划和CSA机制有可能产生高能和quasimonoenergetic离子光束。然而,由于极端的激光超高强度和超高对比度等条件,在实验则是很少的证据。相对,CSA更容易执行和最近被报道在实验中23,24]。在laser-driven CSA,激光脉冲发射无碰撞的静电冲击等离子体的辐射压力。随着冲击波的传播,它反映了一部分背景离子冲击速度的两倍作为由于强烈的静电场与激震前沿相关联。为离子反映,他们的初始速度冲击框架应该满足25] ,在哪里是相对应的潜在静电场激震前沿和离子的质量。因此,反映离子的能量是强烈依赖于冲击强度。为了提高CSA的质量,Zhang et al。26)提出了外部施加一个强横向磁场(约 kT)等离子体。这个领域影响热电子的运输通过抑制它们的扩张在纵向方向。随着越来越多的热激震前沿地区,附近的电子被局限在冲击强度增强是由于增加的热压力。因此,加速离子的能量大大增强。然而,统一和稳定的外部磁场的高强度不容易产生在实验中。最近的工作表明,纳米目标在10 kT能产生磁场的模拟和实验(27- - - - - -29日]。此外,激光吸收的纳米目标更有效和热电子发电与平面目标(30.- - - - - -32]。随着越来越多的热生成电子和内部平行纳米目标的差距,它有后续的离子加速的潜在优势。例如,增强目标正常鞘加速纳米目标已报道的质量大大提高离子束在模拟(33- - - - - -35和实验36,37]。与此同时,随着表面技术的发展,许多新的目标与实现纳米结构在实验中,如亚波长光栅(38],金属nanobrushes [39,40),和氧化硅纳米线41,42]。这些技术进步,甚至更复杂的纳米目标在未来可能是可行的。
在这项研究中,我们调查的方案提高CSA固体nanolayered目标均分等离子体嵌入。制造这样一个目标的实验可能意识到通过在多孔泡沫插入nanolayers目标(43]。强烈的激光驱动器的均分等离子填补了空白nanolayers形成一个稳定的无碰撞的冲击如常规CSA。由于nanolayers,电子密度高的母马是通过激光加热和拖出来,给电子贡献一代更热。同时,当前沿着表面生成nanolayers诱发强烈的横向磁场均分等离子体的缺口。这个领域就像一个稳定的外磁场,抑制热电子的纵向传播,关注他们在激震前沿附近。两种效应导致的强度无碰撞的冲击,导致CSA的增强。的nanolayers CSA的影响研究通过二维particle-in-cell (PIC)模拟,并例均分等离子体有或没有nanolayers进行比较证明CSA的增强。仿真结果验证了增强质子加速,峰值能量和截止能量加速质子nanolayers增加的情况。
本文组织如下。节2、目标设置和模拟参数。节3CSA的动力学和改进进行了详细分析。此外,nanolayers宽度对CSA的影响进行了探讨。部分4是结论和总结。
2。仿真设置
研究的影响nanolayered目标对CSA (NLT),进行二维模拟2 d3v图片代码时代(44]。在仿真中,圆偏振激光脉冲与波长 传播的x方向的左边界模拟框事件通常在目标(24]。它的横向剖面是高斯,即 ,焦斑半径 和峰值强度 ,对应于一个规范化的振幅 圆偏振激光。颞概要平顶和持续时间 ,在哪里 是激光的时期。分析为简单起见,壮年的建模与等离子体的薄层间距的数组嵌在齐次均分等离子体的密度 ,在哪里 临界密度。nanolayers假定为预电离等离子体的电子密度 ,他们设置固定的模拟。考虑到激光热转换效率电子,一个亚波长nanolayered目标是使用[45]。其尺寸如下:层宽度 ,长度 ,和中心两个相邻层之间的距离 。模拟盒子的大小 与 网状细胞和一个时间步 ,,每个单元格包含40个粒子。周期性边界条件用于横向和nanolayered放置在该地区的目标 。考虑到可能会有异常字段在边界附近,我们只收的 进分析。相比之下,平面目标(PT)的情况下没有nanolayers也被认为是,使用了相同的激光和等离子体参数的地方。为了说明这一点,目标都是描绘在图的配置1。值得注意的是,我们的计划不同于他提出的方案等。46),均分等离子体被厚厚的盟局限50 +管。管范围的横向扩张热电子通过感应电场。然而,在我们的情况下,入射激光焦斑半径大,横向扩张是微不足道的。
(一)
(b)
3所示。Laser-Driven CSA的增强
laser-driven CSA政权,由于强烈的入射激光产生等离子体的辐射压力,电子和离子通过扩眼堆积效应,形成一个密度上升沿纵向方向前进。激光脉冲的行为像一个活塞,把打扰等离子体峰值流入原状上游地区。扩眼速度可以估计47] ,在哪里c真空中的光速,离子的密度,我是入射激光的强度,离子的质量。
参数的情况下,扩眼速度 图2显示了质子密度分布在不同的时间PT(数字2(一个)和2 (b))和夜间电报(数字2 (c)和2 (d))。密度峰值超过可以观察到在这两种情况下,他们也正在向低密度上游地区。密度扰动下游密度峰值比原状上游等离子体可以从图中获得2,大约 。此外,大量的热生成电子激光脉冲加热等离子体的体积。图3(一个)介绍了电子能谱 。有热电子从10兆电子伏到30兆电子伏,更多的热生成电子由于nanolayers壮年。通过与麦克斯韦分布拟合曲线,拟合线的斜率为热电子的温度 在这两种情况下,离子声波速度估计 。数据3 (b)和3 (c)显示均分的电子热等离子体和nanolayers,分别。可以看出,电子从nanolayers也有助于热电子代激震前沿附近。在图4质子的纵向动力相空间的快照 (数据4(一)和4 (b)), (数据4 (c)和4 (d)提出了)。相空间分布显示一个典型的无碰撞的冲击的一个重要结构(48]。标签,如图4(一)冲击速度估计 ,与相应的马赫数 ,这是大约的临界马赫数离子反射(25] 。有一群反映质子在上游地区,和他们的速度大约是冲击速度的两倍。这两种情况下在不同的时间显示类似的相空间结构和反映质子。值得注意的是,冲击速度和动量的反映质子在壮年的显著增加。
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获得精确的冲击速度,提出了纵向静电场的时间演化图5PT(图5(一个))和夜间电报(图5 (b)),分别。它可以观察到,无碰撞的冲击在约 在这两种情况下。黑色虚线,虚线标记的位置峰值。冲击后以稳定的速度向前传播的形成。直线的斜率的倒数给冲击的速度。PT,冲击速度可以从图估计5(一个)作为 ,而对于图的壮年5 (b)冲击速度 ,与前者相比高出25%。值得注意的是,在这两种情况下,如图5(一个)和5 (b),有一个明显的静电场峰值约 ,形成的冲击,因为在早期阶段,扩眼效应主导和激光向前推动整个等离子体。因此,等离子体堆积,飘在扩眼速度。一旦冲击启动,速度比扩眼速度,可以清楚地看到从黑色和绿色线的斜率。在 地区,扩眼速度估计 ,大约价值获得的理论。为了更好地说明两种情况之间的差异,从图黑色虚线5(一个)翻译是相同的位置在图吗5 (b)之间的冲击速度,显示一个明确的散度PT和壮年。图5 (c)显示了质子加速的能量谱的无碰撞的激波上游地区 。PT和壮年quasimonoenergetic能谱。此外,加速质子的能量和截止能量峰值都增强NLT相比PT。从6.9兆电子伏能量增加到峰值9.1兆电子伏30%,和截止能量增加多达60%,从12.2到20.0(兆电子伏伏。冲击速度和质子能量的增加表明壮年的强大冲击。
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(b)
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冲击强度的增强可以解释为从nanolayers热电子的产生和运输。可以看到从图中的虚线的斜率3电子,热的温度几乎是一样的在这两种情况下。但随着固体nanolayers热电子数量的增加由于laser-nanolayer交互。除此之外,当前nanolayers生成一个强烈而不均匀横向磁场 ,如数据所示6(一)和6 (b)分别,PT和壮年被归一化 。诱导抑制热电子的传播x方向。此外,由于不均匀性在y方向,它产生的磁压力 在炎热的电子,将他们驱逐出境nanolayers附近的地区,将他们推向中心的差距,导致热的进一步积累电子。热的积累电子导致增加热激震前沿地区的压力,它可以表示为 ,在哪里和分别热电子的密度和温度。这种热压力会导致冲击强度的提高增加了电场 ,在哪里是电场与激震前沿相关联。为了说明这一点,数据6 (c)和6 (d)显示热门电子的能量密度分布。可以看出,电子在壮年的专注和更有活力。然而,在工党,他们分散,分布在一个更广泛的地区,导致疲软的冲击。为了进一步说明,与激震前沿 和 展图7(一),7 (b),7 (d),7 (e)归一化的 。数据7 (c)和7 (f)比较因为他们的平均值y方向。我们可以看到的峰值增加多达30%相比,在工党在不同时刻的冲击,壮年的传播速度比在PT,显示更强的冲击。
(一)
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此外,nanolayered目标不同宽度的差距调查找出可能的最优参数。夜间电报与相应的 和PT分别应用于模拟比较。图8显示了在不同的情况下加速质子的能量谱。我们可以看到,在所有情况下的壮年,峰值能量和截止能量增加而PT的间隙宽度减小来 ,峰值能量和截止能量增加,质子的能量光谱拓宽,成为quasimonoenergetic。然而,随着间隙宽度进一步减少 ,峰值能量是相同的。但截止能量与高能质子的比例减少,意味着降低转换效率从激光加速质子。而nanolayers有助于热电子发电和诱发磁场,也可以反映出入射激光。间隙宽度减少,更nanolayers与入射激光,激光反射的比例将会增加。此外,热电子不仅提高冲击强度,而且加热等离子体在上游地区。当间隙宽度减少,更多热生成电子,这意味着增加离子声波的速度,从而导致低马赫数和CSA的效率下降。因此,最优间隙宽度 实现对当前壮年的配置。
4所示。总结
本文的影响nanolayered目标laser-driven无碰撞的冲击加速度通过2 d3v PIC模拟研究。最后,就可以形成一个稳定和强大的无碰撞的冲击在均分等离子体嵌入nanolayered目标。更多的热生成电子由于nanolayers和入射激光的相互作用。此外,生成当前沿着nanolayers诱发强烈的横向磁场中均分nanolayers周围等离子体,这有助于抑制热电子的纵向传播和积累激震前沿附近。与平面目标的情况下,冲击速度增加从0.079c到0.091c,电场与激震前沿也增强。因此,两个峰值能量和截止能量加速质子的上游地区增加了30%。此外,我们研究了间隙宽度的影响。随着间隙宽度减小,峰值能量和截止能量增加。然而,当差距太窄,CSA的quasimonoenergetic功能受损,高能质子的比例下降。我们的模拟提供了一个潜在的增强方案CSA在实验仔细和详细调查关于激光和更现实的目标参数设置应考虑未来的工作。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号11875091和11875091),中国国家重点研究和发展计划(批准号2016 yfa0401100),制定科技在等离子体物理实验室(批准号JCKYS2019212012)。