多束相干強(qiáng)激光和自生電磁場中的離子加速.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-多束相干強(qiáng)激光和自生電磁場中的離子加速陳奮策（福建教育學(xué)院數(shù)理系，福州350001）摘要數(shù)值計(jì)算相對論離子動(dòng)力學(xué)方程，以研究多束相干強(qiáng)激光脈沖場和激光-等離子體相互作用自發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場中離子的運(yùn)動(dòng)。我們發(fā)現(xiàn)，多束相干強(qiáng)激光能加速重離子能量到很高能量，而自生軸向電場在其中扮演著重要的角色。關(guān)鍵詞離子加速，多束相干強(qiáng)激光，激光-等離子體相互作用，自生強(qiáng)電磁場中圖分類號52.38.Kd,41.75.Lx1.引言由于激光技術(shù)的迅速發(fā)展，在等離子體中用高強(qiáng)度激光加速電子引起了極大的興趣1-10。隨著激光強(qiáng)度的增加，在激光-等離子體相互作用中自發(fā)產(chǎn)生的自生電磁場扮演著越來越重要的角色11-28。另一方面，重離子加速一般使用外加電場的重離子加速器。目前，離子（包含質(zhì)子）在強(qiáng)激光場中的加速引起了很大的關(guān)注：包括激光-固體靶相互作用產(chǎn)生的質(zhì)子束29,30,和快點(diǎn)火中產(chǎn)生的質(zhì)子脈沖30，31等。還有設(shè)想在較長的激光脈沖和相互作用較弱的等離子體中7，8，利用電子加速離子。飛秒（femtosecond）或更小的短脈沖激光與等離子體發(fā)生相互作用的時(shí)空尺度比等離子體和離子的運(yùn)動(dòng)尺度小很多，等離子體對短脈沖的反應(yīng)只是等離子體中的電子；在更長些的時(shí)間尺度，離子跟隨著初始相互作用產(chǎn)生的場。這種相互作用情景與近40年已被很好研究過的7，8情景：激光穿出等離子體之前，離子有充分的時(shí)間響應(yīng)激光的加速，有相當(dāng)?shù)牟煌?。另外，短激光脈沖中只含有少量光波振動(dòng)，故波包的時(shí)間尺度和振動(dòng)周期相同。因此，在有質(zhì)動(dòng)力作用下，與等離子體密度和激光極化有關(guān)，產(chǎn)生了基頻的差頻。這樣，許多現(xiàn)象諸如粒子加速和自生電磁場，與在較長的激光脈沖和較弱的相互作用情況下7，8有很多不同；特別地，短激光脈沖產(chǎn)生的自生電磁場能直接影響帶電粒子的加速。本文引入多束相干激光加速的探討3，4，應(yīng)用3D測試離子模型去模擬在低密度等離子體圓柱狀對稱通道中離子運(yùn)動(dòng)，描述在頻率差為等差數(shù)列的多束（100束）偏振的強(qiáng)激光（每束強(qiáng)度1I=2.631019w/cm2）短脈沖的合成場和由分析模型22，23，3，4給出的自生強(qiáng)電磁場中的相對論離子的動(dòng)力學(xué)方程組，這些方程的數(shù)值解顯示電子、質(zhì)子和重離子的能量可以被加速的很高能量。1陳奮策，男，1954年9月出生，教授，博士，等離子體物理方向。Email：本研究得到福建省自然科學(xué)基金資助。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-2模型與等離子體通道中的電磁場經(jīng)聚焦頻率為j（j=1，2，n）的n束皮秒（ps）級相同偏振的激光強(qiáng)脈沖以相速度phv沿隧道中心軸（Z軸）方向傳播。在以下的討論中，為簡單起見，我們假設(shè)激光脈沖相速等于光速即ckvjjph/，文章的結(jié)論可推廣到phvc情況。第j束激光脈沖的矢勢,1,2,LjLjxxLjyyaaeaejn(1)jjjLkzktwRyxLjxzkteeaajjjjjjcos2222022/0,(2)jjjLkzktwRyxLjyzkteeaajjjjjjsin2222022/0,(3)jj,/1,(4)jj.(5)這里jL、0jR是激光脈沖j的長度和光斑半徑。=0，1對應(yīng)于線偏振LP和圓偏振CP。n束相同偏振的激光脈沖是相干光，它們將發(fā)生干涉。令t=0時(shí)，各束激光的初位相相同0，(/)tzc，n束激光的總矢勢的平方222212sin(/2)sin(/2)LLjjnaaa，總光強(qiáng)212sin(/2)sin(/2)nII，其中2222202/222()/1101188rRkztkLIaaee是一束激光的光強(qiáng)。當(dāng)2,0,1,2,.,2220sin(/2)limsin(/2)nn，21InI。因此，當(dāng)1，我們可近似地用一束激光的強(qiáng)度來擬合自生緩變電磁場。這些頻率為等比系列n束激光波相互疊加，形成新的頻率或拍頻，這可從221sin(/2)/sin(/2)2()cos()nknnnkk看出。當(dāng)電子圓周運(yùn)動(dòng)的頻率與上述頻率相符時(shí)，發(fā)生共振加速。激光電磁場La和電子初始密度0en可近似決定系統(tǒng)的狀態(tài)。取0en=0.36crn(臨界密度crn=1.11021/cm3)。通道中系統(tǒng)的標(biāo)勢和矢勢A分別為：222212121tzkykxkEzEyEx,(6)yBxxByyxBzLezkezkexeykaA21,(7)-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-這里L(fēng)jnjLaa1,激光強(qiáng)度LtLaE。為了描述超強(qiáng)激光短脈沖與等離子體的相互作用后自生的緩變電磁場，我們引入?yún)?shù),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離子的動(dòng)力學(xué)方程通道中帶電量為Q的離子處于激光場和自生的電磁場中，其動(dòng)力學(xué)方程QmpmH0220,(15)dtAQdHdtpd/,vmpdtrd)/(/0,(16)其中0m是離子的靜質(zhì)量，Q是離子的電荷量.，v是離子速度，相對論動(dòng)量0pmv，洛侖茲因子022220/mpppmzyx（17）我們?nèi)o量綱化變量00222222,LLeeeeeByEyBxExBzEzBxByBzExEyEzeeeeeemeaQeAevpmQaAvpttrkrmemcmcmccmcekekekekekekkkkkkkmcmcmcmcmcmc(18)這里em表示電子質(zhì)量，-e電子電量。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-4數(shù)值計(jì)算結(jié)果利用方程（16），并選擇不同的初始位置去探討在高斯型激光脈沖下離子的動(dòng)力學(xué)行為。因?yàn)槌跏妓俣饶軌蚧癁槌跏嘉恢?，在單離子情況，我們保持初始速度為零并改變離子的初始位置。設(shè)開始t=0時(shí)，離子的初始位置00.11r，04zL，00,v，而激光脈沖中心位于Z=0；選擇從實(shí)驗(yàn)上得到的有效的下列參數(shù)：L=7入，0R=3.5入（入=1.06m），104.5a（對應(yīng)單束激光強(qiáng)度0I=2.631019w/cm2）22，23，離子的經(jīng)典軌跡能夠被確定。我們?nèi)?/100000,n束左旋CP激光,1,分別就重離子Au(050,19718362