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在惯性聚变碳离子快速点火相关条件下，利用紫外激光加速碳离子束

DOI：10.1088/1748-0221/15/02/C02001 期刊：Journal of Instrumentation 出版年份：2020 更新时间：2025-09-19 17:13:59
摘要： 采用二维三维粒子模拟程序，数值研究了100千焦、1皮秒、KrF紫外激光在氘氚聚变离子快速点火(IFI)相关条件下产生的碳离子束特性，并验证了实现IFI所需离子束参数的可能性。研究针对不同厚度(LT)的平板碳靶及靶上不同激光光阑(dL)开展碳离子加速数值模拟，同时保持激光脉宽和能量恒定。研究发现辐射压加速(RPA)机制与鞘层加速机制均显著影响离子束特性——较厚靶材(LT约10-30微米)时RPA占主导地位。离子束参数很大程度上取决于靶材厚度及离靶距离：当LT从3微米增至30微米时，平均与最大离子能量递减；而离子束强度、束流能量注量及"有效部分"(光阑≤50微米)的总能量在LT约5-10微米时达到峰值。当LT取最优值且离靶距离x较小(x约LT)时，离子束参数接近或超过IFI需求值。但由于离子束存在角发散，随着离靶距离增大，束流强度与注量会衰减，当x≥0.5毫米时其参数将低于聚变点火要求值。要达到该标准，需采用更高激光能量和/或更精密的离子加速方案。
作者： J. Badziak，J. Domański
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究在适用于氘氚聚变离子快速点火（IFI）条件下，由100千焦、1皮秒、氟化氪紫外激光产生的碳离子束特性，并测试实现IFI所需离子束参数的可能性。

研究成果

一台KrF 100千焦/1皮秒激光器能有效将碳离子加速至惯性聚变点火所需的能量，但离子束参数显著依赖于靶材厚度与离靶距离。当采用最佳靶厚并在近距条件下，离子束参数接近或超过IFI要求值。然而由于束流角发散效应，随着离靶距离增加，离子束强度与注量迅速衰减。要在实际聚变系统几何构型下达到IFI所需的离子束参数，必须采用能量高于100千焦的激光器及/或能降低离子束角发散的先进加速方案。

研究不足

模拟中未包含同步辐射导致的辐射损失，这可能会影响离子束参数。所获得的离子束参数应视为所考虑激光-靶条件的上限值。

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