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近临界密度等离子体中超强激光导引与尾波场离子加速

点击:     发布时间: 2021-01-23 21:37

1 概述

近年来,随着激光脉冲放大技术的发展,如在啁啾激光脉冲放大技术发展的基础上,可以获得超强超短激光脉冲,通过该激光脉冲与等离子体间的相互作用,粒子可以在较短的距离被加速并获得较高的能量[1]。激光驱动等离子体中的电子和离子加速因其在实现小型超高能粒子加速器方面的潜力而受到广泛关注[2]。激光尾波场加速机制,当合适参数下的超强超短激光脉冲与近临界密度的等离子体相互作用时,电子被激光脉冲的有质动力推开,形成中心电子密度很低,上下部分密度和前端密度较高的空泡结构,部分电子可以被该空泡结构捕捉从而获得较高的加速梯度,其能量可以达到Ge V/m[3]。在一定条件下,该加速机制提供的电场力足够强时,质子也可以被该空泡结构捕获加速,从而获得较高的加速梯度,且质子的最大能量可以达到数Ge V[4]

2 模拟参数设置

在本文中,我们通过用二维粒子模拟仿真,利用一束圆偏振高斯激光脉冲,波长λ为0.8μm,激光脉冲的归一化矢势振幅,激光脉冲光斑半径大小r0=16μm,脉长L=20μm。超短超强激光脉冲与由电子、氦离子、氚离子构成的混合等离子体相互作用,其中电子总密度为1.5x1021cm-3,略小于临界密度nc=meω2/4πe2=1.875×1021cm-3,氦离子密度为5x1019cm-3,氚离子密度为1.4×1021cm-3,等离子体均匀分布在x方向8μm-500μm处、y方向为-40μm-40μm处。该模拟仿真的尺寸大小为500μm 80μm,精度为0.02λ×0.05λ,激光脉冲的焦点在8μm处。

图1 电子、氦离子、氚离子分布图(a)(b)电子分别在50T0和550T0时的分布;(c)氦离子在550T0时的分布;(d)氚离子在550T0时的分布。

图1 电子、氦离子、氚离子分布图(a)(b)电子分别在50T0和550T0时的分布;(c)氦离子在550T0时的分布;(d)氚离子在550T0时的分布。   下载原图


3 模拟结果与分析

图1为电子、氧离子和氚离子在不同时刻的密度分布图。图1(a)为当超强超短激光脉冲在混合等离子体通道中传播t=50T0处的电子分布图,电子受到激光脉冲有质动力的影响被推动,向前方和两边运动,形成中间密度低,前端和上下两端密度较高的空泡结构,且该空泡结构的尺寸大小受到激光脉冲焦斑大小的影响,空泡半径略大于激光脉冲的焦斑半径。由图1(b)可以看到当激光脉冲在该等离子通道中传播时间为t=550T0时,该空泡结构仍然存在并向前运动,且在空泡尾部区域,当部分被激光脉冲前沿加速的电子的速度达到一定值时,能够被尾波场所捕获并得到更有效地长距离加速,形成高能电子束。而且在空泡传播演化过程中可以看到,空泡结构尺寸在y方向的半径减小,且空泡中大部分电子被排空,但仍有极少部分电子未被排空,存在于空泡中。图1(c)为氦离子在t=550T0的密度分布图,由图可以看到,氦离子分布呈现通道形状,且通道前端氦离子密度较高。由于氦离子的质量远高于电子,电子先被激光脉冲前沿加速,而氦离子几乎静止不动,当高密度的电子层形成后会产生超强的静电场。氦离子受到激光脉冲和静电场力的影响获得加速向前运动,当其达到一定速度后,能够随着空泡结构的演化获得较长距离加速。图1(d)为t=550T0时氚离子的密度分布图,由图可以看到,氚离子分布如通道形状,但中间有部分氚离子未被排空,这是因为氚离子的荷质高于氦离子的荷质比,所能获得的能量效率较低于氦离子。氚离子作为背景等离子体,对氦离子的加速有着重要的作用。

图2为电场在y轴方向的分布演化图。图2(a)为激光脉冲传播55T0的场强分布,其峰值归一化矢势振幅分别为|a|=224,其激光脉冲场强大小与最初的相比基本无变化;图2(b)为激光脉冲传播220T0时,|a|=258,在激光传输过程中,由于和等离子体相互作用,部分激光脉冲前沿被吸收,脉冲发生自陡峭作用,其强度大小得到一定增强;图2(c)为激光脉冲传播440T0时,|a|=229,激光脉冲与等离子体相互作用过程中能量不断被消耗,转化为粒子的动能,但激光强度大小仍能保持较高的状态,虽然其峰值强度略微减弱,但仍高于最初的激光脉冲强度;当激光脉冲传播t=550T0时,如图2(d)所示,|a|=178,激光脉冲的能量急剧减弱,其电场峰值强度降低,但仍能在等离子体中有效传输。

图2 电场在y轴方向的分布演化图

图2 电场在y轴方向的分布演化图   下载原图


图3 粒子在t=550T0时的动量分布图和氦离子能量分布图(a)(b)(c)分别为电子、氦离子和氚离子的相位分布图。(d)氦离子的能量分布图。

图3 粒子在t=550T0时的动量分布图和氦离子能量分布图(a)(b)(c)分别为电子、氦离子和氚离子的相位分布图。(d)氦离子的能量分布图。   下载原图


由图2可以看出,超强激光脉冲在近邻界密度等离子体中传播时,电子分布受到激光脉冲的电场力和磁场力的影响,其分布会形成一定的密度差,等离子体的折射率发生了一定的改变,其分布结构对激光脉冲具有一定的聚焦放大作用,激光脉冲的焦斑半径被聚焦缩小和脉冲自陡峭作用,其强度会被进一步增强,但随着激光脉冲能量的衰减,其激光脉冲的强度也会随着传播距离的增加而逐渐降低。在本文中,我们可以看到,激光脉冲在该等离子体中传播数个瑞利距离后仍能保持高强度的激光,在能量消耗到一定程度之前,激光脉冲能够长距离地有效传播,因此,离子能够获得长距离地有效加速,从而获得高能量粒子束。

图3为粒子在t=550T0时动量分布图和氦离子能量分布图。

由图3(a)可以看出,电子能够在激光尾波场加速机制中获得较高的动量,且其分布与空泡结构相关。在激光脉冲的传播过程中,有大量的电子被空泡捕获,并在尾波场中能够获得长距离的加速,获得较高的加速梯度。图3(b)为氦离子的动量分布图,由图可以看出大部分的氦离子也能被有效加速,但由于其质量远高于电子,且受到能量之间传递效率的影响,其动量低于电子的动量。图3(c)为氚离子的动量分布图,由图可知,氚离子也能获得较高的动量,但由于其荷质比较高,获得的加速梯度低于氦离子。由图3(d)可以看出,有较多氦离子的能量高于1Ge V,其中氦离子的最高能量能够达到4.5Ge V,远远高于医疗所需的每核子250Me V。

4 结论

综上所述,我们通过利用二维粒子模拟仿真证明,在合适的条件下,超强激光脉冲与近临界密度等离子体相互作用时,激光脉冲能够在等离子体通道中有效地传输数个瑞利距离。在此过程中,电子会形成类似于空泡的结构分布,且其空泡半径大小随着激光脉冲焦斑半径的变化而变化。在此过程中,有部分电子在被激光脉冲前沿加速达到一定值后,能够被激光尾波场所捕获加速,从而获得更高的加速梯度。部分氦离子在此过程中也能够被有效地加速,获得较高的加速梯度,其最高能量能够达到4.5Ge V。氚离子作为背景等离子体,对氦离子的加速有着重要的作用,且氚离子也能被加速,获得一定的能量。

参考文献