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激光等离子体自通道中带电粒子加速机制的理论研究

作　者: 顾彦珺
导　师: 孔青
学　校: 复旦大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 等离子体超短脉冲强激光带电粒子加速离子加速库仑爆炸电子束团尾波场电子相互作用临界密度电子密度分布有质动力单能电子束流品质非线性效应电场飞秒激光高强度激光激光强度加速电子库伦
分类号: O572.211
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近十年来,随着激光技术的飞速发展,超大功率TW激光和超短脉冲飞秒激光业已得到实现,由此大大激发了激光加速带电粒子的研究兴趣。。其中,基于激光和等离子体相互作用来加速带电粒子的方案是最引人注目的热点,与此相关的理论和实验工作不断地取得突破性进展。目前人们已经在实验上得到GeV量级的准单能电子束团和MeV量级的准单能离子束。现阶段普遍认为,激光等离子体相互作用加速带电粒子的机制是最具发展潜质的用以将来取代传统加速器,实现小型化平台化高能粒子加速器的备选方案。当超短脉冲强激光与等离子体相互作用时,激光所产生的有质动力会将等离子体内的电子推离其平衡位置,由此产生了一个正负电荷库仑分离场。包括尾波场和鞘电荷电场。当电子或者离子通过一些机制摆脱平衡位置附近的振荡进入到这个电荷分离场中,就有可能其超高的电场梯度加速到很高能量。传统理论认为,对于加速电子束团来说,低密度的等离子体较为合适；而对于加速质子团来说,由于可以提供更强的库仑分离场,高密度等离子体较为合适。在这两个参数区间之间的所谓的“近临界密度”等离子体,用之加速电子束团用以加速电子则密度过大,影响激光电子相互作用长度,而用以加速质子则密度过小,不足以形成相对离子来说较强的分离电场。但是随着激光功率的不断提高,许多非线性效应伴随和激光在近邻界等离子体中的传播而发生,我们发现这一参数空间在加速电子、离子方面都有比较好的效果,存在进一步探索应用的价值。我们基于2.5维(2D3V)的PIC(Particle-In-Cell)模拟程序研究了激光与近临界密度等离子体相互作用,发现与强激光与低密度等离子体中的物理现象不同的新图像,包括激光自聚焦、等离子体通道在短脉冲强激光条件下的自形成、通道内质子的递进式库伦爆炸等等,并分析了近临界密度等离子体中高加速梯度的电子加速和尾部因库伦爆炸而产生的离子加速的物理特性,并探讨了其背后的物理机制。我们发现,在近临界密度条件下,激光存在着较好的自约束效应,能保证激光在较长的一段距离内不发生较明显的弥散,这大大增强了激光的保持长度,也提供了更大的激光-电子束的相互作用长度。由于初始的等离子体密度较高,在激光有质动力下形成的库仑分离场也因此较强,可达到数百个GV/cm。回流电子在这样的强场作用之下,被急速地扭转进入纵向加速阶段,背景质子区域得不到电荷平衡而发生库仑爆炸现象。库伦爆炸导致了一个等离子体自通道的形成,这完全区别于一般的电子空泡现象。通道尾部有有被加速的质子团反向冲出,其中心能量约为6MeV左右。通过扭摆进入等离子体通道的回流电子束被高强度激光驱动电子产生的高梯度电场猛烈加速。通过通道加速的电子束团能够在短距离内达到较高的能量和较好的束流品质。这一新图像和新的带电粒子加速机制对于激光加速带电粒子的理论来说是一个重要的补充。

激光等离子体自通道中带电粒子加速机制的理论研究

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