基于正电子淹没的新能源技术

单飞

（国防科技大学 文理学院物理系，湖南 长沙410072）

1 正电子的产生

正电子的产生一直是国际研究前沿，各个实验室致力于正电子产额的增加以及正电子束品质的优化。对于正电子的产生大致可以分为两种，分别是传统正电子源和激光正电子源。传统正电子源是依靠放射性同位素的衰变产生的，丰质子核素大部分都具有β+衰变，只有半衰期较长的核素才可以使用。在传统加速器的基础上，利用高能电子束轰击转换体产生正负电子对，在经过一系列转换可以得到慢正电子束。而现在进行的激光正电子源是国际研究前沿，激光与靶相互作用产生正负电子对的机制，细致的可以分为三种类型，分别为Trident过程、BH过程、BW过程。Trident过程指的是激光加速的高能电子与原子核相互作用产生正负电子对，BH过程指的是高能电子与原子核之间的相互作用是通过辐射的光子完成，BW过程指的是电子辐射的光子与激光光子相互作用产生正负电子对[1]。

2 正负电子湮没

正电子作为反粒子存在极其不稳定，容易和周围的物质发生湮没释放出光子，在这个过程中质量转化成能量，释放出两个光子，每个光子能量为0.511 MeV。正电子具有已知的最高能量密度，相比较于核聚变以及核裂变，同等质量的正电子释放的能量比聚变大三个数量级，如表1所示。1 kg正电子湮没会释放出1.8×1017J能量，湮没产物没有放射性，对环境友好，较高的能量密度有望为未来的宇宙飞船提供动力。

表1典型物质的能量密度

3 激光驱动高能正负电子束

正负电子等离子体在高温高压强磁场等特殊环境下可以存在，这为高能正负电子束的形成准备了条件，高能量的正负电子束对撞将释放出更多的能量，相比于静态的湮没过程，更加具有可控性，能量利用效率高。在PIC（粒子模拟软件）基础上，进行了激光与正负电子等离子体的相互作用。采用圆极化高斯形激光a=3.16，脉宽30 fs，焦斑w0=4μm，波长λ=1μm，迭加磁场的强度500 T，正负电子等离子体密度0.01nc（nc=1.1×1027/m3），磁场方向与激光传播一致。

无外加磁场时电子密度分布如图1所示，稳定耦合时电子密度分布如图2所示。在加上磁场后，粒子密度明显聚集在脉冲前沿，横向扩散得到极大抑制，集中性变强。在图1的104～110μm区间范围内，粒子有着明显的受电场震荡作用而发散的现象。外加磁场使得粒子运动过程被束缚，粒子空间分布变得集中，如图2所示。粒子运动过程中，外加磁场使得粒子受到洛伦兹力，轨迹偏转并聚集于脉冲前沿，持续受到有质动力并被加速，高能粒子增加，在一定空间范围内电子正电子运动近似同步，空间保持近中性。

图1无外加磁场时电子密度分布

图2稳定耦合时电子密度分布

统计90T0（T0=3.33 fs）时刻，粒子角度分布如图3所示，粒子轴向近似对称分布，并且主要集中在轴向附近，发散角较小约为7°（0.12 rad）。发散角较小说明粒子空间方向较为集中，在实际传输过程中可以保证粒子准直性，对于开展相关粒子束传输研究有着重要意义。在传播过程中，电子和正电子能谱曲线重合较好，说明较小区域范围内保持较为严格的近中性要求。由图4粒子分布可知，在一定的区域范围内，得到较为紧密的近中性的正负电子束团。由于外加磁场的存在，极大抑制了横向扩散，粒子被束缚在轴向附近，能量可以得到有效传递，短距离传输中能量可以达到30 MeV的增益，并且传输过程粒子被磁场箍缩，集中于脉冲前沿，使得密度保持一定的高度。

图3电子正电子角度（rad）分布

加速距离为170μm和磁感应强度2 000 T时激光强度和能量的关系如图5所示。

图5加速距离为170μm和磁感应强度2 000 T时激光强度和能量的关系

保持磁感应强度为2 000 T，改变激光强度，统计粒子运动170μm时最大能量与激光归一化矢量之间的关系，PIC模拟得到数据显示γ～a0.70，激光能量越高，得到的正负电子束能量越高，那么正负电子束相互湮没时释放更多能量，通过模拟证实了激光驱动高能正负电子束的可能性，为下一步的实际应用做好铺垫。同样的在军事应用中，足够数量的正电子会湮没释放出大量的能量，在一定程度上可以作为御敌手段。