多束相干强激光和自生电磁场中的离子加速.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-多束相干强激光和自生电磁场中的离子加速陈奋策（福建教育学院数理系，福州350001）摘要数值计算相对论离子动力学方程，以研究多束相干强激光脉冲场和激光-等离子体相互作用自发产生的强电磁场中离子的运动。我们发现，多束相干强激光能加速重离子能量到很高能量，而自生轴向电场在其中扮演着重要的角色。关键词离子加速，多束相干强激光，激光-等离子体相互作用，自生强电磁场中图分类号52.38.Kd,41.75.Lx1.引言由于激光技术的迅速发展，在等离子体中用高强度激光加速电子引起了极大的兴趣1-10。随着激光强度的增加，在激光-等离子体相互作用中自发产生的自生电磁场扮演着越来越重要的角色11-28。另一方面，重离子加速一般使用外加电场的重离子加速器。目前，离子（包含质子）在强激光场中的加速引起了很大的关注：包括激光-固体靶相互作用产生的质子束29,30,和快点火中产生的质子脉冲30，31等。还有设想在较长的激光脉冲和相互作用较弱的等离子体中7，8，利用电子加速离子。飞秒（femtosecond）或更小的短脉冲激光与等离子体发生相互作用的时空尺度比等离子体和离子的运动尺度小很多，等离子体对短脉冲的反应只是等离子体中的电子；在更长些的时间尺度，离子跟随着初始相互作用产生的场。这种相互作用情景与近40年已被很好研究过的7，8情景：激光穿出等离子体之前，离子有充分的时间响应激光的加速，有相当的不同。另外，短激光脉冲中只含有少量光波振动，故波包的时间尺度和振动周期相同。因此，在有质动力作用下，与等离子体密度和激光极化有关，产生了基频的差频。这样，许多现象诸如粒子加速和自生电磁场，与在较长的激光脉冲和较弱的相互作用情况下7，8有很多不同；特别地，短激光脉冲产生的自生电磁场能直接影响带电粒子的加速。本文引入多束相干激光加速的探讨3，4，应用3D测试离子模型去模拟在低密度等离子体圆柱状对称通道中离子运动，描述在频率差为等差数列的多束（100束）偏振的强激光（每束强度1I=2.631019w/cm2）短脉冲的合成场和由分析模型22，23，3，4给出的自生强电磁场中的相对论离子的动力学方程组，这些方程的数值解显示电子、质子和重离子的能量可以被加速的很高能量。1陈奋策，男，1954年9月出生，教授，博士，等离子体物理方向。Email：本研究得到福建省自然科学基金资助。-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-2模型与等离子体通道中的电磁场经聚焦频率为j（j=1，2，n）的n束皮秒（ps）级相同偏振的激光强脉冲以相速度phv沿隧道中心轴（Z轴）方向传播。在以下的讨论中，为简单起见，我们假设激光脉冲相速等于光速即ckvjjph/，文章的结论可推广到phvc情况。第j束激光脉冲的矢势,1,2,LjLjxxLjyyaaeaejn(1)jjjLkzktwRyxLjxzkteeaajjjjjjcos2222022/0,(2)jjjLkzktwRyxLjyzkteeaajjjjjjsin2222022/0,(3)jj,/1,(4)jj.(5)这里jL、0jR是激光脉冲j的长度和光斑半径。=0，1对应于线偏振LP和圆偏振CP。n束相同偏振的激光脉冲是相干光，它们将发生干涉。令t=0时，各束激光的初位相相同0，(/)tzc，n束激光的总矢势的平方222212sin(/2)sin(/2)LLjjnaaa，总光强212sin(/2)sin(/2)nII，其中2222202/222()/1101188rRkztkLIaaee是一束激光的光强。当2,0,1,2,.,2220sin(/2)limsin(/2)nn，21InI。因此，当1，我们可近似地用一束激光的强度来拟合自生缓变电磁场。这些频率为等比系列n束激光波相互叠加，形成新的频率或拍频，这可从221sin(/2)/sin(/2)2()cos()nknnnkk看出。当电子圆周运动的频率与上述频率相符时，发生共振加速。激光电磁场La和电子初始密度0en可近似决定系统的状态。取0en=0.36crn(临界密度crn=1.11021/cm3)。通道中系统的标势和矢势A分别为：222212121tzkykxkEzEyEx,(6)yBxxByyxBzLezkezkexeykaA21,(7)-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-这里LjnjLaa1,激光强度LtLaE。为了描述超强激光短脉冲与等离子体的相互作用后自生的缓变电磁场，我们引入参数,ExEyEzBxBykkkkk和Bzk22,23225220621125ExEyLkkER,(8)22522621125EzLkELk,(9)/346/3145560.290.18,0.5111eeTTeeeT,(10)21.0LszBZEBk,(11)ryBBkssxBx/，(12)/,BysyskBxBr(13)0222001.252222/1.35010.11122naxyRnasLRBeeEr.(14).3离子的动力学方程通道中带电量为Q的离子处于激光场和自生的电磁场中，其动力学方程QmpmH0220,(15)dtAQdHdtpd/,vmpdtrd)/(/0,(16)其中0m是离子的静质量，Q是离子的电荷量.，v是离子速度，相对论动量0pmv，洛仑兹因子022220/mpppmzyx（17）我们取无量纲化变量00222222,LLeeeeeByEyBxExBzEzBxByBzExEyEzeeeeeemeaQeAevpmQaAvpttrkrmemcmcmccmcekekekekekekkkkkkkmcmcmcmcmcmc(18)这里em表示电子质量，-e电子电量。-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-4数值计算结果利用方程（16），并选择不同的初始位置去探讨在高斯型激光脉冲下离子的动力学行为。因为初始速度能够化为初始位置，在单离子情况，我们保持初始速度为零并改变离子的初始位置。设开始t=0时，离子的初始位置00.11r，04zL，00,v，而激光脉冲中心位于Z=0；选择从实验上得到的有效的下列参数：L=7入，0R=3.5入（入=1.06m），104.5a（对应单束激光强度0I=2.631019w/cm2）22，23，离子的经典轨迹能够被确定。我们取1/100000,n束左旋CP激光,1,分别就重离子Au(050,19718362