強激光與近臨界密度等離子體相互作用及加速帶電粒子的研究.pdf

1、超強激光與等離子體相互作用的領(lǐng)域已經(jīng)歷了近30年的研究，廣泛而有意義的應(yīng)用前景和不斷取得的重要進展使其目前仍然是物理學(xué)界最感興趣，研究最密集的領(lǐng)域之一。
　　在激光與等離子體相互作用的研究中，激光加速器的新原理以及相關(guān)的物理現(xiàn)象在近十年來一直是國際上的研究熱點。從激光加速的角度出發(fā)，針對稀薄等離子體和高密度的等離子體靶的研究比較多，而對于近臨界密度靶的研究則比較少。然而隨著激光技術(shù)的發(fā)展，利用近臨界密度靶來設(shè)計的加速方案逐漸受到重

2、視。本文基于PIC數(shù)值模擬方法，對強激光與近臨界密度等離子體相互作用及激光加速的理論進行了探索，主要包括了以下幾個內(nèi)容:
　　(1)超強激光激發(fā)等離子體尾波場加速電子
　　通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著等離子體初始密度的變化，強激光激發(fā)的等離子體尾波場呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化趨勢，其極大值與等離子體密度的平方根成正比，而其寬度與等離子體密度的平方根成反比，此外尾波場的形態(tài)在低密度等離子體中隨時間的演化較為平緩，而隨著初始等離子體密度的上升，尾

3、波場的寬度和強度均會隨時間發(fā)生較大的振蕩，這會在一定程度上影響加速電子束閉的束流品質(zhì)。與低密度等離子體中的的空泡尾波場加速機制不同，在近臨界密度等離子體下，電子排空區(qū)域的尾部并不能被電子回流所閉合形成完整的封閉的空泡結(jié)構(gòu)，回流電子束感受到極強的縱向庫侖分離場作用而被急速扭擺進入向前加速的階段。同時由于等離子體密度較高，因之形成的庫侖分離尾場也較強，電子的加速梯度可達數(shù)十個GeV/cm，遠大于低密度等離子體中的加速梯度。我們首次詳細地分析

4、了激光與近臨界密度等離子體相互作用中尾波場以及電子加速的特性。
　　(2)超強激光引起的等離子體自通道及其相對論條件判據(jù)
　　在關(guān)于等離子體通道的形成方面我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光的功率密度較強時，受到激光有質(zhì)動力作用的電子會在短時間內(nèi)被加速到接近光速，相對論效應(yīng)必須予以考慮。因此我們提出了等離子體自通道形成的相對論修正判據(jù)，并通過大量粒子模擬進行了驗證驗證，發(fā)現(xiàn)其在大部分參數(shù)空間下都是有效的，但是當(dāng)?shù)入x子體密度較大和激光功率密度過小

5、時會發(fā)生一定的偏差。根據(jù)此通道形成判據(jù)，等離子體自通道現(xiàn)象可以在激光功率足夠強并且初始等離子體密度接近于近臨界條件時由超短的飛秒脈沖來激發(fā)得到，并在模擬事例中，成功地得到了這樣能夠穩(wěn)定存在至皮秒(10-12s)量級的通道結(jié)構(gòu)。等離子體自通道效應(yīng)可以有效地抑制激光的衍射橫向發(fā)散現(xiàn)象，并使激光在通道內(nèi)發(fā)生自聚焦，維持其強度，保證激光在傳播數(shù)個瑞利長度之后在其傳播軸上的功率密度沒有明顯的衰減。
　　(3)基于等離子體通道內(nèi)庫侖爆炸的離子

6、加速與反沖電荷累積效應(yīng)
　　我們研究發(fā)現(xiàn)，在強激光與近臨界密度等離子體相互作用時，在強的激光有質(zhì)動力作用下，電子能比較容易全排空，并形成等離子體自通道。在等離子體通道內(nèi)，從左邊界向內(nèi)，將持續(xù)發(fā)生庫侖爆炸現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)，通過庫侖爆炸被加速的離子能夠在等離子體通道的反向溢出，并被收集，離子束團具有一定的準直性。同時，由于等離子體通道內(nèi)的庫侖爆炸能持續(xù)發(fā)生，反沖離子束具有較高的電量。我們從理論上預(yù)估了加速離子束團的最大能量和收集電量與初

7、始等離子體密度之間的聯(lián)系，并給出了電子全排空的激光強度條件。
　　(4)高能尾波場電子束牽引加速離子的機制
　　我們提出了利用近臨界密度條件下產(chǎn)生的高能尾波場電子束團作為引導(dǎo)源來加速離子的方案。與TNSA或BOA機制不同，由于引導(dǎo)尾波場電子束與熱電子相比具有高能和高準直性的特點，因此在該機制下可以實現(xiàn)對粒子的長程加速和準直性引導(dǎo)。在此基礎(chǔ)之上，我們改進了靶結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使用了雙層的復(fù)合靶結(jié)構(gòu)，提高了激光和離子的能量轉(zhuǎn)換效率，加