基于正電子淹沒的新能源技術(shù)

單飛

（國防科技大學 文理學院物理系，湖南 長沙410072）

1 正電子的產(chǎn)生

正電子的產(chǎn)生一直是國際研究前沿，各個實驗室致力于正電子產(chǎn)額的增加以及正電子束品質(zhì)的優(yōu)化。對于正電子的產(chǎn)生大致可以分為兩種，分別是傳統(tǒng)正電子源和激光正電子源。傳統(tǒng)正電子源是依靠放射性同位素的衰變產(chǎn)生的，豐質(zhì)子核素大部分都具有β+衰變，只有半衰期較長的核素才可以使用。在傳統(tǒng)加速器的基礎(chǔ)上，利用高能電子束轟擊轉(zhuǎn)換體產(chǎn)生正負電子對，在經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換可以得到慢正電子束。而現(xiàn)在進行的激光正電子源是國際研究前沿，激光與靶相互作用產(chǎn)生正負電子對的機制，細致的可以分為三種類型，分別為Trident過程、BH過程、BW過程。Trident過程指的是激光加速的高能電子與原子核相互作用產(chǎn)生正負電子對，BH過程指的是高能電子與原子核之間的相互作用是通過輻射的光子完成，BW過程指的是電子輻射的光子與激光光子相互作用產(chǎn)生正負電子對[1]。

2 正負電子湮沒

正電子作為反粒子存在極其不穩(wěn)定，容易和周圍的物質(zhì)發(fā)生湮沒釋放出光子，在這個過程中質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，釋放出兩個光子，每個光子能量為0.511 MeV。正電子具有已知的最高能量密度，相比較于核聚變以及核裂變，同等質(zhì)量的正電子釋放的能量比聚變大三個數(shù)量級，如表1所示。1 kg正電子湮沒會釋放出1.8×1017J能量，湮沒產(chǎn)物沒有放射性，對環(huán)境友好，較高的能量密度有望為未來的宇宙飛船提供動力。

表1典型物質(zhì)的能量密度

3 激光驅(qū)動高能正負電子束

正負電子等離子體在高溫高壓強磁場等特殊環(huán)境下可以存在，這為高能正負電子束的形成準備了條件，高能量的正負電子束對撞將釋放出更多的能量，相比于靜態(tài)的湮沒過程，更加具有可控性，能量利用效率高。在PIC（粒子模擬軟件）基礎(chǔ)上，進行了激光與正負電子等離子體的相互作用。采用圓極化高斯形激光a=3.16，脈寬30 fs，焦斑w0=4μm，波長λ=1μm，迭加磁場的強度500 T，正負電子等離子體密度0.01nc（nc=1.1×1027/m3），磁場方向與激光傳播一致。

無外加磁場時電子密度分布如圖1所示，穩(wěn)定耦合時電子密度分布如圖2所示。在加上磁場后，粒子密度明顯聚集在脈沖前沿，橫向擴散得到極大抑制，集中性變強。在圖1的104～110μm區(qū)間范圍內(nèi)，粒子有著明顯的受電場震蕩作用而發(fā)散的現(xiàn)象。外加磁場使得粒子運動過程被束縛，粒子空間分布變得集中，如圖2所示。粒子運動過程中，外加磁場使得粒子受到洛倫茲力，軌跡偏轉(zhuǎn)并聚集于脈沖前沿，持續(xù)受到有質(zhì)動力并被加速，高能粒子增加，在一定空間范圍內(nèi)電子正電子運動近似同步，空間保持近中性。

圖1無外加磁場時電子密度分布

圖2穩(wěn)定耦合時電子密度分布

統(tǒng)計90T0（T0=3.33 fs）時刻，粒子角度分布如圖3所示，粒子軸向近似對稱分布，并且主要集中在軸向附近，發(fā)散角較小約為7°（0.12 rad）。發(fā)散角較小說明粒子空間方向較為集中，在實際傳輸過程中可以保證粒子準直性，對于開展相關(guān)粒子束傳輸研究有著重要意義。在傳播過程中，電子和正電子能譜曲線重合較好，說明較小區(qū)域范圍內(nèi)保持較為嚴格的近中性要求。由圖4粒子分布可知，在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，得到較為緊密的近中性的正負電子束團。由于外加磁場的存在，極大抑制了橫向擴散，粒子被束縛在軸向附近，能量可以得到有效傳遞，短距離傳輸中能量可以達到30 MeV的增益，并且傳輸過程粒子被磁場箍縮，集中于脈沖前沿，使得密度保持一定的高度。

圖3電子正電子角度（rad）分布

加速距離為170μm和磁感應(yīng)強度2 000 T時激光強度和能量的關(guān)系如圖5所示。

圖5加速距離為170μm和磁感應(yīng)強度2 000 T時激光強度和能量的關(guān)系

保持磁感應(yīng)強度為2 000 T，改變激光強度，統(tǒng)計粒子運動170μm時最大能量與激光歸一化矢量之間的關(guān)系，PIC模擬得到數(shù)據(jù)顯示γ～a0.70，激光能量越高，得到的正負電子束能量越高，那么正負電子束相互湮沒時釋放更多能量，通過模擬證實了激光驅(qū)動高能正負電子束的可能性，為下一步的實際應(yīng)用做好鋪墊。同樣的在軍事應(yīng)用中，足夠數(shù)量的正電子會湮沒釋放出大量的能量，在一定程度上可以作為御敵手段。