多束相干強激光和自生電磁場中的離子加速

1、多束相干強激光和自生電磁場中的離子加速    多束相干強激光和自生電磁場中的離子加速陳奮策(福建教育學院數(shù)理系,福州 350001)摘 要 數(shù)值計算相對論離子動力學方程,以研究多束相干強激光脈沖場和激光-等離子體相互作用自發(fā)產(chǎn)生的強電磁場中離子的運動.我們發(fā)現(xiàn),多束相干強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.關鍵詞 離子加速,多束相干強激光,激光-等離子體相互作用,自生強電磁場中圖分類號 52.38.Kd, 41.75.Lx1. 引言由于激光技術的迅速發(fā)展,在等離子體中用高強度激光加速 (1), (2), (3), , (

2、4). (5)這里,是激光脈沖j的長度和光斑半徑. =0,±1對應于線偏振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,各束激光的初位相相同,n 束激光的總矢勢的平方 , 總光強,其中是一束激光的光強.當, .因此,當,我們可近似地用一束激光的強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,這可從看出.當電子圓周運動的頻率與上述頻率相符時,發(fā)生共振加速. 激 (13). (14).3.離子的動力學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,其動力學方程, (15), , (16)其中是離子的靜質(zhì)量,Q 是

3、離子的電荷量.,是離子速度,相對論動量,洛侖茲因子 (17)我們?nèi)o量綱化變量(18)這里表示電子質(zhì)量,-e電子電量.4.數(shù)值計算結果利用方程(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力學行為.因為初始速度能夠化為初始位置,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.設開始t=0時,離子的初始位置,而激光脈沖中心位于Z=0;選擇從實驗上得到的有效的下列參數(shù):L=7入, =3.5入(入=1.06m), (對應單束激光強度=2.63×10w/cm)22,23,離子的經(jīng)典軌跡能夠被確定.我們?nèi)束左旋CP激光,分別就重離子Au()(圖1),質(zhì)子p()(圖2)

4、和電子()(圖3)在n=100情況下,把能量漸進線即(gama-t)曲線,橫向動量曲線,軸向動量曲線和xy-z軌跡畫在圖中進行比較.圖1 圖2 質(zhì)子圖3 電子圖1,2和3中分別對應Au,質(zhì)子和電子.時,它們的輸出能量(以為單位),橫動量 (以為單位),縱動量,(以為單位)分別和t(以為單位)的函數(shù)關系曲線,座標x-y-z(以為單位)軌跡圖.從圖1,2和3中的(gama-t)曲線可看出,每束=4.5 的100束圓偏振相干強激光下,重離子Au能量達到500GeV(=2.8), 質(zhì)子的能量可達到5.32 GeV(=5.8), 電子加速到能量為3.25GeV(=6500),重離子加速效果更好(雖然Au

5、 離子的質(zhì)量大,但帶電量多4),質(zhì)子次之,而電子最差.從圖1,2和3中的xy-z曲線軌跡可看到Au,質(zhì)子和電子以Z 軸為對稱軸的作螺旋運動的半徑的數(shù)量級相當.我們知道,在軸向電場中的相對論電子受到加速力和聚焦力,當電子軸向動量大大于橫向動量時,很強的聚焦力導致電子以Z軸為對稱橫向振蕩,橫向振蕩加速度越大產(chǎn)生輻射電磁波越多,而導致電子能量損失31,32越多.圖1,2和3中的px-t圖顯示電子橫向速度很大,對應橫向加速度很大;質(zhì)子次之;而Au最小.如果令 = 0,即所得 2.8 , 5.8 ,6500.這表明總激光電場超強時,自生緩變電場 在激光對離子加速中起了重要的作用.軸向自生電場,對應于激光

6、作用下電子的"氣穴現(xiàn)象"(從圖3的pz-t曲線中可看到是負值,圖1和2的pz-t中也可看到出現(xiàn)負值).5.討論應用單離子模型,我們研究了在100束圓偏振相干激光(每束強度為=2.63×10w/cm)合成場和激光-等離子體相互作用中自發(fā)產(chǎn)生的緩變電磁場下,低密度等離子體通道中離子運動.得到的離子的數(shù)值解顯示:電子的能量可達到3.25GeV(=6500),質(zhì)子的能量可達到5.32 GeV(=5.8),重離子Au能量達到500GeV(=2.8),這提供了一種利用超強超短激光脈沖加速離子到很高能量可能的新途徑.本文的電子是在強激光和其自生場中的加速,與激光激發(fā)的等離子體-

7、波場中的加速明顯不同.本文似乎是目前唯一能計算少量處于確定初始位置的離子被最佳地加速到超高能量.本文的單測試粒子模型過于簡化,計算結果對粒子的初始位置敏感;超強度的激光電磁場通過n束小強度相干(頻率差相同)激光的理想疊加得到,而自生場則依賴于模型22,23,或通過其它新奇的想法32,33,34,實驗上做到有相當?shù)睦щy,需進一步研究和探索.參考文獻:1 C. I. Moore, J. P. Knauer, and D. D. Meyerhofer, Phys. Rev. Lett. 74, 2439 (1995); B. Rau, T. Tajima, and H. Hojo, Phys. Re

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