强激光在等离子体中直接加速电子的理论研究

作     者：李英瑛 

作者单位：复旦大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔青

授予年度：2011年

学科分类：07[理学] 070204[理学-等离子体物理] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：电子能量 有质动力 加速电子 激光波长 空泡 激光强度 束团 激光脉冲 尾波 电子束流 

摘      要：近年来,随着激光技术的迅速发展和TW激光及飞秒激光脉冲的实现,激光与物质相互作用日益成为变成物理学里一个引人关注的主题,其中,激光粒子加速是近年来最受重视的领域之一,特别是基于等离子体的激光加速,近年来不断在理论和实验上取得重要的突破。通常而言,在等离子体中的激光加速电子可以分成两大类机制：一种是尾波场加速机制,电子从激光引发的电荷分离场中获得能量;另一种是激光直接加速机制,即利用激光辐射压力加速,当超强激光在低密度等离子体中传播时,位于激光脉冲前沿的电子被激光有质动力以超高加速梯度猛烈加速到很高能量。与尾波场加速机制不同,直接加速是一个线性的无临阂强度的加速过程,因而在为产生高能电子提供一种可靠的选择。同时,随着激光强度的增强,直接加速现象也出现在越来越多的物理过程中,因而该机制的研究也变得越来越重要。本论文基于理论分析,并结合PIC(Particle-In-Cell)数值模拟结果,对激光直接加速电子的主要物理过程、特点,以及与激光、等离子体参数之间的关系开展了深入的研究。 在超短脉冲超高强度的条件下,激光脉冲能产生约为100GeV/cm的纵向有质动力,该有质动力能将处于激光脉冲前沿的电子,并在300fs的时间内将电子加速到GeV量级。我们对这一物理过程开展了数值模拟,并结合有质动力模型开展了分析。我们发现随着激光的传播,被直接加速的电子数目逐渐增加,即存在一个直接加速电子的电荷累积效应,这一效应能将直接加速的高能电子数目累积到数十pC/μm。累积的电荷在电子空泡区域和激光脉冲前沿构成一个电子团,随激光准同步传播。分析表明,直接加速的电子束团角谱呈双峰结构,能谱遵循麦克斯韦分布,最大能量能达到3GeV。同时,我们发现高能电子束被激光调制的现象。 通常激光电子直接加速的研究都是局域于等离子体内部的,也就是说基于等离子体的直接加速和真空中激光直接加速是相对独立的物理现象。然而我们在研究中首次发现了激光直接加速的二次加速现象,即在等离子体内直接加速产生的电子束团在冲出等离子体后依然被激光在真空中继续加速。本文对这一现象给出了相应的物理解释。 我们发现只有在适当激光强度、腰宽与脉宽比、等离子体初始密度的条件下,才能产生明显的激光直接加速电子现象。影响激光直接加速效果的主要有四个主要因素：激光强度、腰宽、脉宽、等离子体初始密度。我们针对激光强度、腰宽、脉宽、等离子体密度对直接加速束团及空泡形态及空泡加速电子的束流品质开展了初步的讨论。此外,通过数值模拟,对强度为1022W/cm-2的激光和不同初始密度等离子体进行了模拟研究,获得了能形成能量高且电量高的电子束的密度范围,给出了一些初步可行的实验参数。 此外,本文还基于2.5维(2D3V)的PIC程序,比照TEM(0,0)模激光脉冲在等离子体中直接加速电子特性的基础上,初步分析了TEM(1,0)模激光脉冲在等离子体中直接加速电子特性。我们发现TEM(1,0)模激光脉冲中存在着独特的电子回流现象。在直接加速电子与空泡电子束之间由一束回流电子衔接,并将激光有质动力形成的电子空泡分割成为两个对称的电子空泡。通过对比分析两种模式下空泡电子束能谱,发现该电子墙对空泡加速存在一定的影响。这种利用TEM(1,0)激光特殊的有质动力模式以及特殊的电子束流加速机制,是对激光直接加速机制的新的拓展和补充。