[论文解读] High current ionic flows via ultra-fast lasers for fusion applications

H. Rühl, G. Korn|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2022

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 7

一句话总结

本文提出一种由超短、高强度激光脉冲驱动的新型纳米结构加速器，可产生超快、高电流离子束，能量转换效率超过60%。该方法实现亚皮秒级离子加速，能量与电流可调，最高达10²⁰个离子，为使用¹¹B等无中子聚变燃料实现高效惯性聚变提供了新途径。

ABSTRACT

In the present paper we introduce a new accelerator concept for ions. The accelerator is nano-structured and can consist of a range of materials. It is capable of generating large ionic currents at moderate ion energies. The nano-structures can be tailored towards the accelerator thus being capable of driving ion beams with very high efficiency. The accelerator is powered by laser arrays consisting of many repetitive and efficient lasers in the $100 \, ext{J}$ range with ultra-short intense laser pulses. Combining nano-structures and the proposed ultra-short pulse lasers can lead to new levels of spatio-temporal control and energy efficiency for fusion applications.

研究动机与目标

• 开发一种新型加速器概念，用于生成适用于惯性约束聚变（ICF）的超快、高电流离子束。
• 利用针对超短激光脉冲量身定制的纳米结构材料，以提高激光-物质耦合效率。
• 实现高能、高电流的离子流，能量谱可调，适用于聚变应用，特别是适用于亚MeV活化能燃料。
• 探索利用快速、汇聚的离子流实现等熵压缩方案在聚变能生产中的可行性。
• 在模拟中证明激光脉冲到离子动能的能量转换效率可超过60%。

提出的方法

• 利用由定制材料（如棒状结构）构成的纳米结构加速器，通过非线性光学效应增强激光-物质耦合。
• 采用阵列化的超短、高强度激光脉冲（100 J量级），脉冲持续时间在飞秒量级，驱动离子加速。
• 应用完全相对论性的自适应多尺度有限元模型，分离电子与离子的时间尺度，实现动力学反应流体动力学模拟。
• 使用包含电磁力和碰撞阻尼项的运动方程模拟离子加速，参数源自相对论性等离子体理论。
• 采用自洽力方程，结合形式因子、反应截面和屏蔽参数，模拟离子动力学与能量传递过程。
• 使用数值边界条件，允许电子逃逸但保留离子动能，从而在模拟中实现精确的能量平衡追踪。

实验结果

研究问题

• RQ1 超短激光脉冲能否通过纳米结构材料高效驱动高电流离子束，实现超过60%的能量转换效率？
• RQ2 通过纳米结构几何形状和激光强度，离子能量谱和流场特性可在多大程度上实现调控？
• RQ3 该系统能否在亚皮秒时间尺度内产生电流达10²⁰个离子的离子流，适用于聚变应用？
• RQ4 激光脉冲与离子加速之间的耦合效率如何依赖于纳米结构形貌和材料特性？
• RQ5 该方法能否支持使用¹¹B等燃料、活化能低于1 MeV的无中子聚变的等熵压缩方案？

主要发现

• 模拟结果表明，超过60%的激光能量转化为离子动能，共加速约10¹⁰个离子。
• 质子能量谱在约4 MeV处呈尖锐峰，而硼离子谱较宽，有利于离子种类的自然分离并减少热化。
• 离子流可在1皮秒内生成，电流可达每脉冲10²⁰个离子，总动能范围为10²³–10²⁴ eV。
• 通过优化激光强度和纳米结构形貌，能量转换效率可进一步提升，理论上最高可达80%。
• 激光脉冲结束后系统保持准中性，表明离子束形成稳定，残余电磁场能量极低。
• 三维圆柱形“洋葱层”加速器布局展示了设计灵活性，可生成适合聚变靶压缩的汇聚离子流。