一、可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器（论文文献综述）
李健[1]（2020）在《基于粒子模拟方法的磁等离子体推力器工作机理研究》文中提出磁等离子体推力器（MPDT,Magneto Plasma Dynamic Thruster）具有推力密度大、比冲高、功率大、结构简单等优势,在深空探测、星际航行、大型空间飞行器轨道转移等空间任务中具有广阔的发展前景,是未来可控核聚变技术在空间电推进领域得到实际应用的首选。MPDT工作时存在多种物理过程,其内部工作机制极为复杂。目前已有研究对MPDT工作机理的理解还不够深入,致使一些存在的问题得不到有效解决。因此,开展MPDT工作机理的研究,不仅具有重要的科学意义,还具有潜在的工程应用价值。作为一种重要的数值模拟方法,粒子模拟方法能够客观地反应等离子体的运动规律,非常适用于研究物理机制还不是很清晰的问题。本论文基于等离子体粒子模拟方法,针对MPDT加速机制不明确、工作稳定性差、系统效率低以及电极烧蚀严重等问题,系统开展MPDT的工作机理研究,旨在厘清相关科学认知,探索提高推力器综合性能的方法与途径。针对等离子体粒子模拟技术中计算量大的难题,论文提出了一种用于PIC/MCC模型的高效计算方法,即缩比模型标度方法。基于模型缩比前后带电粒子的运动特征不变性与放电相似性,得到了缩比模型物理量的标度关系;通过模拟带电粒子的运动轨迹与放电等离子体特征,对标度方法进行了验证。研究表明,该方法可以减少模拟的粒子总数,缩短放电达到平衡的时间,可以还原等离子体的原始放电状态;在同等计算条件下,能够将等离子体粒子模拟计算时间从数十天缩短至几个小时,计算效率提高十分明显。深入开展了AF-MPDT的工作机理研究。（1）针对推力器放电过程中粒子运动规律不清晰的问题,建立了用于模拟AF-MPDT放电过程的PIC/MCC静电仿真模型,基于该模型研究了放电腔横截面内带电粒子的E×B漂移特性。研究结果表明,推力器等离子体中电子被磁化而离子未被磁化,进而使得电子作回旋漂移运动,而离子作偏转漂移运动,并且近阴极区域的等离子体转动动能大于近阳极区域。（2）针对推力器等离子体加速机制与能量转化机理不明确的问题,分别阐明了电场与磁场对等离子体的加速作用;建立了推力器三维粒子运动模型,首次通过粒子模拟方法,获得了单粒子在推力器中的运动轨迹;通过求解MHD方程组,得到了等离子体磁压力的表达式;通过分析单粒子在电磁场中的能量转化规律,验证了磁喷管加速原理。研究表明,电场加速机制主要包括电子倍增、双极电场加速与电双层加速,磁场加速机制可分为放电腔内部的轴向附加磁场加速与推力器出口的缓变磁场磁喷管加速;粒子动能完全来自于电场做功,磁喷管的缓变发散磁场能够将等离子体非轴向动能转化为轴向动能,从而增强了推力器电磁加速效果。（3）针对推力器工作稳定性差的问题,阐明了推力器“onset”现象的物理原理;通过求解等离子体扰动方程,得到了轴向附加磁场作用下等离子体静电波的色散关系;首次采用粒子模拟方法探究了AF-MPDT放电等离子体不稳定性的产生原因、发展过程及所属类型。研究表明,因为电子与等离子体静电波相互作用引起波的增长,导致电荷集拢现象,最终产生推力器等离子体不稳定性;不稳定放电会加剧电极烧蚀现象、降低离子旋转动能、降低电能到动能的转化效率;证实了AF-MPDT等离子体不稳定性属于电子回旋漂移不稳定性。开展了SF-MPDT的工作机理研究,建立了用于模拟SF-MPDT放电过程的PIC/MCC电磁仿真模型。（1）开展了推力器放电腔内电磁场与等离子体的分布特性仿真研究;探究了放电电压、工质质量流率与感生磁场对等离子体密度、温度与速度等特征参数的影响规律,并首次模拟得到了推力器的电极鞘层特性。研究结果表明,本模型仿真得到的感生磁场分布与文献实验结果基本一致;随着放电电压的增加,放电腔内部等离子体密度会先增大后减小;阳极唇对等离子体具有加速作用。（2）针对推力器系统效率低的问题,研究了阳极功率沉积的组成以及阳极压降的物理机制,分析了感生磁场与工质质量流率对阳极压降的影响规律。研究结果表明,阳极压降的性质取决于阳极表面与等离子体中的电流密度平衡关系;可以通过增大阳极电流接触面积、提高阴极电子热发射能力以及提高阳极表面的等离子体密度等措施,减小阳极压降进而提高推力器效率。（3）针对推力器电极烧蚀严重的问题,开展了阴极烧蚀现象及其影响因素研究。研究表明,放电电压越大、工质质量流率越高,阴极烧蚀越严重;可以通过选取电离阈值较低的气体工质、降低放电电压以及降低阴极附近的等离子体密度等措施,避免阴极过度烧蚀,从而延长推力器的使用寿命。
徐艳霞[2]（2018）在《强激光驱动等离子体块加速的研究》文中提出上世纪八十年代以来,啁啾脉冲放大技术的发展使激光强度得到很大提高并达到10222 W/cm2的量级,极大拓宽了激光与物质之间相互作用的研究。基于激光―等离子体相互作用的粒子加速问题一直以来引人瞩目,在实验和理论方面进行了广泛的研究并取得了重要的成果,提出了很多粒子加速方案。就目前的研究现状来看,除了粒子束能量的提高,束流品质的改善是亟待解决的问题。研究表明,粒子束流的品质不仅与激光-粒子束的相互作用过程有关,还受到传输过程中空间电荷效应以及电磁阻尼等因素的影响,会导致束流发散、能散变大、亮度变低等,尤其是强流粒子束,其受空间电荷效应的影响更大。为了有效抑制带电粒子束传输过程中空间电荷效应以及电磁阻尼效应的影响,本文提出了中性等离子体块加速方案,旨在通过强激光产生的有质动力对等离子体进行整体推动,实现电子和离子的空间同步加速,形成能稳定传输的高品质粒子束流。此外,等离子体块因为其电中性特性可以很大程度地降低其在靶材压缩过程中受到的电磁阻尼作用,从而对靶材进行有效压缩,提高能量传递效率以及聚变反应率。基于此图像Hora等人提出了激光驱动核聚变反应的“块点火”方案,这将是一种低能耗激光聚变方案,有望实现非压缩态聚变点火,并为激光驱动的无辐射清洁核聚变反应,质子―硼同位素(p-11B)聚变提供有利条件。本论文通过粒子模拟（particle-in-cell,PIC）方法研究了强激光―等离子体相互作用驱动的等离子体块加速,主要对以下问题进行了分析探讨:1.我们提出了双等离子体靶加速方案,即超短超强激光脉冲与双等离子体靶相互作用,其中双靶由密度较小的等离子体预靶和致密等离子体目标靶组成。然后通过一维和二维的粒子模拟,研究了脉冲强度为～1022W·cm-2的超短圆偏振激光脉冲与不同参数双等离子体靶的相互作用过程。模拟结果表明,选取适当参数范围的预靶能够有效增强纵向电荷分离场,提高主靶电子和离子的空间同步性,以等离子体块结构进行整体加速。因而能够有效地抑制空间电荷效应,提高束流品质,使得产生的质子束具有动量发散度低,单色性好和准直性高等优点,且质子束的电流密度更高。同时,增强了激光脉冲和目标等离子体靶之间的耦合作用,提高了从激光脉冲到目标靶的能量转化效率。2.在实际应用中产生的激光都是线偏振的,从线偏振到圆偏振的转化,不仅过程复杂,还会引起激光能量的损失。因此我们将双等离子体靶方案应用到超短超强线偏振激光与等离子体的相互作用中,通过PIC数值模拟研究了线偏振激光脉冲驱动双等离子体靶运动的动力学过程。同时在模拟中采用了与激光脉冲强度横向分布匹配的双靶结构,有效地抑制了激光脉冲光压驱动靶面形变引起的各种不稳定性。然后,通过分析影响线偏激光与双等离子体靶相互作用的各种参数,如线偏振激光的极化特性,预等离子体靶的种类,预等离子体靶的面密度等,对线偏振激光―双等离子体靶相互作用方案进行了参数优化。最终实现了基于线偏振激光脉冲与双等离子靶相互作用驱动的高效等离子体块加速,获得了能量峰值在GeVs量级的高能单色准直粒子束流,且其空间传输稳定性很好,为等离子体块加速提供了另一种可选途径。3.我们研究了皮秒量级的激光脉冲与等离子体靶相互作用驱动的等离子体块加速。首先,分析了线偏振激光脉冲与等离子体靶相互作用的动力学过程,结果表明其作用过程主要分四个阶段:激光辐照靶面产生热电子;热电子通过静电场将能量转移给离子;等离子体温度快速升高发生内爆;激光卸载,等离子体降温,向真空扩散。值得注意的是,在内爆过程中产生了相向运动的中性等离子体块,其对激光加载产生高压的过程有具有重要贡献。通过分析内爆过程以及等离子体块的形成过程,我们发现激光场中的非线性力在内爆驱动的等离子体块加速过程中起主导作用。然后,研究了相同强度和宽度的圆偏振激光脉冲与等离子体靶的相互作用过程,并分析了脉冲强度对内爆过程以及中性等离子体块加速的影响。结果表明,该过程中等离子体的内爆过程被大幅压制,同时产生了具有很好的空间稳定性和电中性的等离子体块。本质上讲,圆偏振和线偏振激光脉冲与等离子体相互作用时,带电粒子受到的有质动力不同,因而圆偏振激光―等离子体相互作用过程中大幅抑制了电子加热和等离子体的内爆过程,而且脉冲强度越强,抑制效应越显着,等离子体块的空间整体性和定向性越好。而且在圆偏振激光脉冲卸载之后,被加速的等离子体块以恒定的速度向靶内运动,传输过程中受到的电磁阻尼作用和空间电荷效应的影响大幅减弱。这一结果从数值模拟的角度为Hora等人提出的基于高能等离子体块的激光聚变“块点火”方案的优势给出有力证明。
刘欢欢[3]（2014）在《周期量级线偏振激光场中电子辐射特性及其应用研究》文中研究说明随着高功率超短激光脉冲的问世，通过紧聚焦使得激光强度达到相对论光强已成为可能，而PW（拍瓦）级激光器的出现使得激光强度甚至可以达到更强的水平。作为一种全新的X射线辐射源，强激光脉冲作用下相对论电子的激光同步辐射因其具有可维持性、小型化、高亮度、超短脉冲、应用前景广等特点而被广泛研究。要实现这些应用，需要彻底理解超短超强激光脉冲与物质相互作用时产生的各种非线性现象。本论文主要对周期量级超短超强激光脉冲与电子的相互作用进行了研究，具体如下：1.采用单电子模型对周期量级强激光脉冲作用下电子运动状态及其辐射特性进行了理论及数值研究，其结果表明电子的运动状态强烈依赖于激光脉冲的初始相位，从而导致许多显着的周期量级强激光脉冲场中电子运动及其辐射的相位敏感性。2.基于经典辐射理论，采用单电子模型对周期量级激光脉冲与高能电子对撞过程中电子辐射的空间与频谱特性进行了理论与数值研究。研究结果表明辐射大部分集中在以后向散射方向为中心的一个尖锐的圆锥中。研究还发现周期量级激光脉冲的脉宽越短，后向散射的频谱宽度越宽，频率中心处强度越弱。3.基于经典相对论理论和电子相对论动力学，线偏振周期量级超快激光脉冲的非线性汤姆逊散射的空间和频谱特性在理论和数值上已经被广泛研究。对于脉宽只有几个周期的激光脉冲，其初始相位对电子的相对论运动产生显着影响。非线性汤姆逊散射的辐射特性也表现出明显的对初始相位敏感的特点。对于大多数初始相位，在x-y平面和y-z平面的辐射角对称分布是被打破的，比如着名的四重对称消失。辐射强度也受到了初始相位的影响，并且对于大多数初始相位，辐射强度角分布在y-z平面是不对称的。这些现象可以归因于周期量级激光脉冲的特性。研究这些现象的可行性方法已经被找到。另外可以利用非线性汤姆逊散射的初始相位敏感特性来控制周期量级强激光脉冲的初始相位。
李志刚[4]（2000）在《可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器》文中认为在研究物理学最基本理论的许多实验中所用的将亚原子粒子加速到接近于光速的实验装置,其长度可能长达数千米,而使用正在着手研究的台式兆兆瓦（T3）激光器系统有望将这类粒子加速器的大小（也可能包括造价）成百倍地缩减.多年来物理学家们已经认识到运用在等离子体中存在的巨大的电场梯度去产生高能粒子是一种较为廉价的方法.在LawrenceBenkeley国家实验室中（LBNL;Berkeley,CA）使用兆兆瓦系统实验验证了这种方法较其它方法节省开支.在20世纪60年代初期,相对论电子激光散射能被用来产生低级的X射线,甚至γ
二、可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器（论文提纲范文）
（1）基于粒子模拟方法的磁等离子体推力器工作机理研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 磁等离子体推力器研究进展 |
| 1.2.2 存在的主要问题及研究进展 |
| 1.2.3 仿真模型研究进展 |
| 1.3 论文主要研究内容 |
| 第二章 等离子体PIC/MCC方法 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 等离子体的一般研究方法 |
| 2.3 PIC方法 |
| 2.3.1 宏粒子模型 |
| 2.3.2 电磁场方程 |
| 2.3.3 粒子运动方程 |
| 2.4 MCC方法 |
| 2.4.1 基本概念与空碰撞模型 |
| 2.4.2 碰撞动力学 |
| 2.5 PIC/MCC方法及模型简化 |
| 2.5.1 计算流程 |
| 2.5.2 模型及其问题研究 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 基于PIC/MCC的高效计算方法研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 单粒子在电磁场中的运动方程 |
| 3.3 基于PIC/MCC的高效计算方法 |
| 3.3.1 单粒子运动的标度关系 |
| 3.3.2 粒子碰撞的标度关系 |
| 3.3.3 其它相关物理量的标度关系 |
| 3.4 算例验证 |
| 3.4.1 单粒子运动特征验证 |
| 3.4.2 粒子碰撞特征验证 |
| 3.5 标度方法的优点与限制 |
| 3.5.1 标度方法的优点 |
| 3.5.2 标度方法的限制 |
| 3.5.3 标度方法的变通形式 |
| 3.6 本章小结 |
| 第四章 附加磁场磁等离子体推力器工作机理研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 放电过程静电模型 |
| 4.2.1 推力器几何模型 |
| 4.2.2 附加磁场模型 |
| 4.3 数值计算方法 |
| 4.3.1 电磁场求解 |
| 4.3.2 离散插值方法 |
| 4.4 模型算法验证与误差分析 |
| 4.4.1 缩比因子无关性验证 |
| 4.4.2 推力性能验证 |
| 4.4.3 误差分析 |
| 4.5 推力器放电过程及粒子运动特性研究 |
| 4.5.1 推力器工作过程 |
| 4.5.2 带电粒子E×B漂移运动特性 |
| 4.6 等离子体加速机制研究 |
| 4.6.1 等离子体推力产生机制研究概况 |
| 4.6.2 电场加速机制 |
| 4.6.3 磁场加速机制 |
| 4.6.4 单粒子轨迹及其能量转化机制 |
| 4.7 等离子体不稳定性研究 |
| 4.7.1 Onset现象 |
| 4.7.2 附加磁场等离子体中的静电波 |
| 4.7.3 等离子体不稳定性仿真研究 |
| 4.8 本章小结 |
| 第五章 自生磁场磁等离子体推力器工作机理研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 放电过程电磁模型 |
| 5.2.1 推力器几何模型 |
| 5.2.2 外电路模型 |
| 5.2.3 粒子碰撞模型 |
| 5.2.4 电子热发射模型 |
| 5.3 数值计算方法 |
| 5.3.1 电磁场求解 |
| 5.3.2 电流滤波方法 |
| 5.4 计算结果与讨论 |
| 5.4.1 电磁场分布特性 |
| 5.4.2 等离子体分布特性 |
| 5.4.3 等离子体分布影响因素 |
| 5.5 阳极能量沉积与阳极压降研究 |
| 5.5.1 阳极能量沉积 |
| 5.5.2 阳极压降的物理机制 |
| 5.5.3 阳极压降影响因素 |
| 5.6 阴极烧蚀现象研究 |
| 5.6.1 阴极烧蚀现象 |
| 5.6.2 阴极烧蚀影响因素 |
| 5.7 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 论文的主要工作 |
| 论文的主要创新点 |
| 工作展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 作者在学期间取得的学术成果 |
（2）强激光驱动等离子体块加速的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 激光技术的发展 |
| 1.3 激光—物质相互作用 |
| 1.4 激光―等离子体相互作用驱动的粒子加速 |
| 1.4.1 激光―电子能量耦合吸收机制 |
| 1.4.2 激光驱动的电子加速 |
| 1.4.3 激光驱动的离子加速 |
| 1.4.4 等离子体块加速 |
| 1.5 论文内容安排 |
| 第二章 激光―等离子体相互作用的理论分析及数值模拟方法 |
| 2.1 电磁波在等离子体中的传输 |
| 2.2 带电粒子在高频电磁波中的运动 |
| 2.2.1 带电粒子在弱电磁波中的运动 |
| 2.2.2 电子在强电磁波中的相对论运动 |
| 2.3 有质动力 |
| 2.4 粒子模拟(Particle-in-Cell)方法 |
| 第三章 超强圆偏振激光―双等离子体靶相互作用驱动的等离子体块加速·· |
| 3.1 引言 |
| 3.2 模型背景 |
| 3.3 束流品质的提升 |
| 3.3.1 模拟模型及参数 |
| 3.3.2 一维PIC模拟 |
| 3.3.3 二维PIC模拟 |
| 3.3.4 预等离子体靶对束流品质的影响 |
| 3.3.5 结果分析 |
| 3.4 等离子体块加速 |
| 3.4.1 理论分析及物理建模 |
| 3.4.2 模拟参数 |
| 3.4.3 中性等离子体块加速 |
| 3.4.4 预靶对等离子体块加速的影响 |
| 3.4.5 结果分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 超强线偏振激光―双等离子体靶相互作用驱动的等离子体块加速·· |
| 4.1 引言 |
| 4.2 物理模型 |
| 4.3 等离子体块加速的一维模拟 |
| 4.3.1 模拟参数 |
| 4.3.2 等离子体块加速 |
| 4.3.3 预等离子体靶对加速过程的影响 |
| 4.3.4 结论分析 |
| 4.4 等离子体块加速的二维数值模拟 |
| 4.4.1 模拟参数 |
| 4.4.2 等离子体块加速的影响因素 |
| 4.4.3 优化的等离子体块加速 |
| 4.4.4 结论分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 皮秒强激光脉冲驱动的等离子体块加速 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 物理模型 |
| 5.3 线偏振皮秒脉冲与等离子体薄靶相互作用 |
| 5.3.1 模拟参数 |
| 5.3.2 线偏振皮秒脉冲驱动的“内爆”等离子体块加速 |
| 5.3.3 结果分析 |
| 5.4 圆偏振皮秒脉冲与等离子体薄靶的相互作用 |
| 5.4.1 模拟参数 |
| 5.4.2 等离子体块加速 |
| 5.4.3 脉冲强度对等离子体块加速的影响 |
| 5.4.4 结果分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 研究工作总结 |
| 6.2 拟开展的工作计划 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的论文 |
| 致谢 |
（3）周期量级线偏振激光场中电子辐射特性及其应用研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 专用术语注释表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 论文工作 |
| 1.3 论文结构 |
| 1.4 论文创新点 |
| 第二章 激光与物质相互作用的基本原理 |
| 2.1 激光与真空中的粒子的相互作用 |
| 2.2 真空中激光加速电子 |
| 2.2.1 真空中有质动力加速电子 |
| 2.2.2 激光俘获并加速电子（CAS） |
| 2.2.3 拍频加速电子 |
| 2.2.4 交叉双光束激光加速电子 |
| 2.3 非线性 Thomson 散射 |
| 2.4 激光与物质相互作用的基本方程 |
| 2.4.1 基本公式 |
| 2.4.2 非相对论情形 |
| 2.4.3 相对论情形 |
| 第三章 周期量级强激光场中电子的相对论运动及其空间辐射 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 激光与电子相互作用模型和方程 |
| 3.3 结果及讨论 |
| 3.4 结论 |
| 第四章 周期量级线偏振激光场中激光同步辐射特性 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 相互作用模型与公式 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.4 结论 |
| 第五章 周期量级线偏振激光场中电子非线性汤姆逊散射研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 作用模型与公式 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.4 结论 |
| 第六章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 附录1 程序清单 |
| 附录2 攻读硕士学位期间撰写的论文 |
| 附录4 攻读硕士学位期间参加的科研项目 |
| 致谢 |
四、可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器（论文参考文献）
- [1]基于粒子模拟方法的磁等离子体推力器工作机理研究[D]. 李健. 国防科技大学, 2020(01)
- [2]强激光驱动等离子体块加速的研究[D]. 徐艳霞. 华东师范大学, 2018(12)
- [3]周期量级线偏振激光场中电子辐射特性及其应用研究[D]. 刘欢欢. 南京邮电大学, 2014(05)
- [4]可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器[J]. 李志刚. 光机电信息, 2000(01)