超强激光等离子体相互作用中eqd效应的研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目超强激光等离子体相互作用中QED效应的研究学科专业物理电子学学号201211040618作者姓名田云先指导教师李建清教授分类号密级注1UDC学位论文超强激光等离子体相互作用中QED效应的研究（题名和副题名）田云先（作者姓名）指导教师李建清教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业物理电子学提交论文日期2018.04.04论文答辩日期2018.06.05

2、学位授予单位和日期电子科技大学2018年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。ResearchontheQEDEffectofUltrahighIntensityLaser-PlasmaInteractionADoctoralDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDiscipline:PhysicalElectronicsAuthor:TianYunxianSupervisor:Prof.LiJianqingSc

3、hool:SchoolofElectronicsScienceandEngineering摘要摘要人类对能源的急迫需求促进了新能源——聚变能的飞速发展，聚变能中的惯性约束聚变由于可控性、无污染以及原料成本低（海水中的氘氚）等优势受到国内外学者极其广泛的关注。随着对惯性约束聚变研究的深入，脉冲激光的强度也在不断提高，特别是近年来激光关键技术——激光放大器技术的突破，使得目前最高激光脉冲峰值功率已经达到1022W/cm2，并有望达到1023~1024W/cm2甚至更高。当激光强度达到1022~1024W/cm2量级时，激光场强可以与Schwinge

4、r场相比拟，激光与等离子体相互作用将进入强场量子电动力学（QED）领域。非线性强场QED效应将变得复杂而且越来越重要，尤其是其中的Gamma射线和正负电子对的产生。强场QED效应与激光等离子体相互作用（LPI）的这种结合，已经成为当前和未来的一个重要发展方向。强场QED效应可以通过理论、实验以及数值模拟等研究手段进行研究，早期由于受到计算机性能的限制，研究主要以理论和实验为主。近年来，随着计算机性能的高速提升，数值模拟研究手段成为研究热点，但研究仍处于发展阶段，还有很多问题需要进一步探索与解决。例如：从物理过程研究方面，已有数值模拟通常假设为固

5、体靶在模拟之初是完全电离且密度均匀分布的，然而强场QED效应、LPI和离化过程是同时进行且紧密耦合在一起的，等离子体分布以及离化过程对强场QED效应的影响机制还是未知的；从强场QED效应理论研究方面，由于其还处于发展阶段，理论及模型是否正确还有待探讨，但目前英国华威大学开发的EPOCH程序是唯一广泛使用的主流程序，所以非常有必要基于已存在的多种量子QED效应理论开发及应用相应的数值模拟程序，从而更深入地探讨强场QED效应理论及其物理机制。针对上述研究背景及研究需求，本文的主要创新为：将强场QED效应与LPI相结合，修正并引入了离化过程，开发了P

6、IC/MCC数值模拟程序，并主要对离化特性对强场QED效应的影响机制进行了研究。本论文的主要工作如下：1、强场QED效应的背景研究。调研了国内外学者在该领域理论、实验和模拟方面的研究动态，确定了数值模拟是目前此方面研究的必要手段，并总结了已有模拟工作的不足，进而确定本论文的主要工作——研究具有一定密度分布的等离子体及离化过程对强场QED效应的影响，并开发自主知识产权的模拟程序。2、对包含离化效应的PIC数值模型的研究。利用经典PIC方法建立了激光等离子体相互作用的PIC数值模型，并对教研室已有程序BUMBLEBEE-LPI的等离I摘要子体形成的

7、相关模块进行了完善：包括建立了满足能量守恒的高Z光电离理论与数值模拟模型，完整的推导了库仑碰撞理论，建立了通用的电子碰撞电离数值模拟模型。3、建立了强场QED数理模型。将电子辐射的能量看成一个个独立的“光粒子”，从电子辐射功率的公式出发，推导出光子产生概率的关键量η，得到电子的光学深度，确立光学深度与光子产生概率的关系，进而得到光子的产生概率。用同样的方式得到正负电子对的产生概率，建立了强场QED的理论模型，基于蒙特卡罗方法建立了Gamma射线和正负电子对的产生模型。4、将包含离化效应的PIC程序与QED数理模型相结合。主要包括QED数理模型的

8、代码编写，代码在BUMBLEBEE-LPI程序中的集成，调试与测试。利用该程序模拟了一个超高强度激光与完全电离的铝箔相互作用，观察了激光等离子体相互作