激光等離子體自通道中帶電粒子加速機(jī)制的理論研究.pdf

1、復(fù)旦 大 學(xué) 碩士 研 究生 學(xué)位 論文激 光等離子體 自通道 中帶 電粒子加速機(jī)制 的理論研 究P a r tie leA e e e le r a tio nM e c h a n ismo fL a se rd r iv e nS e lf-fo r m e dP la sm aC h a n n e l學(xué) 生 : 顧彥 裙指導(dǎo)教師 : 孔 青 副教授摘要摘 要近十年來(lái) ，隨著 激光 技術(shù) 的飛速 發(fā)展 ，超大 功率 T W 激光

2、 和 超短脈沖 飛秒 激 光業(yè)已得 到實(shí)現(xiàn) ， 由此 大 大激 發(fā) 了激 光 加速 帶 電粒 子 的研 究興趣 。 。其 中 ，基 于 激 光 和等離子體相互 作用來(lái)加速 帶 電粒子 的方案 是最 引人 注 目的熱 點(diǎn) ，與此相關(guān) 的理論 和 實(shí)驗(yàn)工 作不 斷地 取 得 突破 性進(jìn) 展 。 目前 人 們 已經(jīng)在 實(shí)驗(yàn) 上 得 到 G eV 量 級(jí) 的準(zhǔn) 單 能 電子 束 團(tuán)和 M eV 量 級(jí) 的準(zhǔn) 單 能 離 子束 。現(xiàn) 階 段 普

3、遍 認(rèn) 為 ，激 光 等 離子 體 相 互 作用 加 速 帶 電粒子 的機(jī)制 是最具發(fā)展?jié)?質(zhì) 的用 以將來(lái) 取代 傳統(tǒng)加速器 ，實(shí)現(xiàn) 小型化平 臺(tái)化 高 能粒 子加速 器 的備選 方 案 。當(dāng)超 短 脈 沖 強(qiáng)激 光 與 等離 子 體 相 互 作用 時(shí) ，激 光 所 產(chǎn) 生 的有 質(zhì) 動(dòng) 力 會(huì) 將 等 離 子 體內(nèi)的 電子推 離其平 衡位 置 ， 由此產(chǎn) 生 了一個(gè)正 負(fù) 電荷 庫(kù)侖分離場(chǎng) 。包括尾 波 場(chǎng) 和 鞘 電荷 電場(chǎng) 。當(dāng)

4、 電子 或 者 離 子 通 過(guò) 一些 機(jī) 制 擺 脫 平 衡 位 置 附近 的振 蕩 進(jìn) 入 到 這 個(gè) 電荷 分 離場(chǎng) 中 ，就有 可 能其 超 高 的 電場(chǎng) 梯 度 加 速 到 很 高 能量 。傳 統(tǒng) 理 論認(rèn) 為 ，對(duì) 于 加速 電子 束 團(tuán)來(lái) 說(shuō) ，低 密度 的等 離子 體 較 為合適 ; 而 對(duì) 于 加 速質(zhì) 子 團(tuán)來(lái) 說(shuō) ， 由于可 以提 供更 強(qiáng) 的庫(kù) 侖 分離場(chǎng) ，高密度等離子 體較 為合適 。在這 兩 個(gè)參 數(shù) 區(qū)間之

5、 間的所謂 的 “ 近 臨界密度 ”等 離子體 ，用之 加速 電子 束 團(tuán)用 以加 速 電子 則密度過(guò)大 ，影 響激光 電子相互 作用長(zhǎng) 度 ，而用 以加速 質(zhì)子 則密度 過(guò) 小 ，不足 以形成 相對(duì)離子來(lái)說(shuō)較強(qiáng) 的分離 電場(chǎng) 。但是隨著激 光功率 的不 斷提 高 ，許 多非線 性效 應(yīng) 伴 隨和激 光在近鄰 界等離子 體 中的傳播而發(fā) 生 ，我們 發(fā)現(xiàn)這 一參數(shù)空 間在加速 電子 、離 子 方面 都 有 比較 好 的 效 果 ， 存

6、在 進(jìn) 一 步 探 索 應(yīng) 用 的 價(jià) 值 。我 們 基 于 2.5 維 (2D 3碼 的PI C( Pa rt i cl e 一 In一 ce ll )模 擬程序研究 了激光與近 臨界密度等離子體相互作用 ，發(fā)現(xiàn) 與強(qiáng)激光與低密度等離子體 中的物理現(xiàn)象不 同的新 圖像 ，包括激光 自聚焦 、等離子體通道在 短脈沖 強(qiáng)激 光 條件 下 的 自形成 、通 道 內(nèi)質(zhì) 子 的遞進(jìn) 式庫(kù)倫爆 炸 等等 ，并分 析 了近 臨界密度等 離子 體 中