理工论文激光等离子体稳相加速机制研究

激光等离子体稳相加速机制研究 激光等离子体稳相加速机制研究是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，激光等离子体稳相加速机制研究是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，激光等离子体稳相加速机制研究的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 摘 要 现有激光等离子体加速机制中纵向电场对离子的有效加速长度很短(微米量级),且束流能散大,得到的离子能量较低.当采用圆偏振激光和固体靶相互作用时,如果激光的归一化光强矢量a与靶的电子面密度n0ncDL相当时,则存在一种稳相加速机制.此时激光和等离子相互作用产生的静电场不仅可以用于加速离子,而且还可以在纵向对离子进行聚束,从而可以有效地降低束流能散.数值模拟结果表明,利用激光加速可以得到能散小于5%的单能离子束,这对激光加速器走向实际应用有着重要意义.关键词 圆偏振,稳相加速,单能Phase|stable acceleration in laser plasma interactionsYAN Xue|Qing1, SHENG Zheng|Ming1,2,3 GUO Zhi|Yu1 LU Yuan|Rong1 CHEN Jia|Er1(1 State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China)(2 Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)(3 Department of Physics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)Abstract A new ion acceleration method called phase|stable acceleration is proposed by use of circularly|polarized laser pulses. When the initial target density n0 and thickness D satisfy aL(n0/nc)D/L and D>1 (where aL, L, ls, and nc are the normalized laser amplitude, the laser wavelength in vacuum, the plasma skin depth, and the critical density of the incident laser pulse, respectively), a quasi|equilibrium for electrons is established due to the light pressure and the electrostatic field built up at the interacting front of the laser pulse. The ions located within the skin|depth of the laser pulse are synchronously accelerated and bunched by the electrostatic field, and thereby a monoenergetic and high intensity proton beam can be generated.Keywords circularly|polarized, phase|stabiliged acceleration, monoenergetic超短强激光脉冲与物质相互作用可以产生极高的加速梯度,由此可以把其中的带电粒子(包括电子和离子)在厘米量级或者更短距离内加速到100MeV甚至GeV的能量,加速梯度至少比常规射频加速器高3个量级,从而实现台面紧凑型粒子加速.这对于很多应用具有重要价值,譬如强流高能质子可以驱动新型“快点火”核聚变1,可以产生高能量密度物质状态2,可进行超快成像3和肿瘤治疗4,可以产生医用同位素5等.超短超强激光与薄膜固体靶作用是产生高能质子的有效手段,其主要的物理机制是出现在靶后表面的靶面鞘层加速.激光在靶前表面产生的大量高能电子在穿过靶后与靶面鞘层的离子之间产生强电场,可对靶面鞘层离子进行加速.但大量实验表明,通过该机制产生的质子束能量较低,且能谱很宽,效率不高.这些特点限制了激光质子加速的实用性,所以如何得到准单能离子束是当前的一个重要研究课题.Esirkepov等人通过三维PIC模拟发现,通过构造双层靶(由高Z材料和富含H元素的低Z材料构成),控制靶后C-H层的纵向尺寸和横向尺寸,可以显著减小质子束的能量发散,获得准单色的质子束.最近,Schwoerer等人6在Jena大学的JETI钛宝石激光器上,通过在镀了0.5m PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的5m 钛靶上使用飞秒激光烧蚀的方法,构造出横向尺寸为20m×20m､纵向尺寸为0.5m的微结构靶,从而获得了准单能的质子束(1MeV, 能散约20%).Toncian等人7利用一个空心微柱体,当它受到亚皮秒强激光辐照时,在柱体内部诱生瞬态径向电场,用此电场对能量为MeV的质子进行了聚焦.由于诱发的径向电场的瞬态特性,使得这一方法可以对激光等离子体相互作用产生的宽谱质子源中不同能量的质子进行有选择的聚焦.对现有加速方法作一些改进可以有效地改善束流的品质,但是获得的离子能量较低,束流的能散也仍然较大,而且能散的进一步降低需要以牺牲束流流强为代价.常规射频加速器在加速离子的过程中可以同时对束流进行纵向聚束,从而可以获得能散很小的准单能离子束,在加速器物理中,这一加速过程被称之为“稳相加速”.本文中我们将介绍如何在激光与等离子体相互作用中实现稳相加速8,从而产生较高能量的低能散离子束.常规离子加速方法主要采用线偏振激光,当激光入射到固体靶上时,激光有质动力存在一个Lc是随空间变化的函数,e,me,L和c分别为电子电荷､质量､激光频率和真空中的光速,E是激光场的电场强度.可以看到,激光的有质动力不随时间发生变化.所以当圆偏振光入射到固体靶表面时,在有质动力作用下,电子将被整体向靶内压缩.固体薄膜靶会逐渐形成两个薄层:一层是由缺少电子的正离子组成,我们称之为电子耗尽层;另一层为电子压缩层,为负电荷层.由此形成特定的纵向电场分布,如图1所示. 图1 电子密度(n)和离子密度(np0)分布示意图.电子和离子的初始密度分别为n0和D,Exl和Ex2为电子耗尽层和电子压缩层中的纵向电场分布当激光归一化电场强度矢量a,等离子体密度n和靶的厚度D三者之间满足8:a(1+)1/2(n0/nc)(D/L),(2)此时有质动力不足以将电子完全推出靶外,而是与静电力达到平衡.(2)式中为激光反射系数,nc为等离子体临界密度,L为激光在真空中的波长.当激光入射到固体靶上时,电子压缩层将被缓慢加速,它可以不断地把动量通过静电力传递给待加速的离子.对于处在电子压缩层内的离子,它受到的静电力随着位置的增加而迅速下降,这意味着跑在前面的离子感受到的场较小,而处在后面的离子感受到的场较大.也就是说,速度较慢的粒子可以在一定的时间内追赶并超过高速粒子 ,这样就减小了粒子之间的能量差异,从而也降低了能散.可以从图2所示的离子相图中观察到这一“追赶”现象.这与常规射频加速器中的稳相加速过程非常类似.根据加速器理论可知,在这种加速机制下,粒子的能散将得到很好的控制.同时随着激光与粒子相互作用的时间延长,粒子的能量也能够得到大幅度提高.图2 离子在相空间(x,px)中的“追赶”运动.图中给出4个不同时刻的相空间分布图3 离子能谱(为相对论因子)现有的一维模拟计算结果表明,当激光的归一化电场强度矢量与靶的电子面密度相当时,即an0ncDL,则存在一种稳相加速机制,此时激光可以如常规加速器一样对离子进行加速和纵向聚束.被加速的离子数量可以达到ancL(w2L) .譬如对激光束半径wL=10m,波长L=1m,归一化场强度a=10,可以产生的高能质子数在1012个以上.在稳相加速过程中,电子被激光推进的前向速度与质子几乎一致,这就极大地减小了库仑场对质 子束传输过程造成的相空间扩散,有利于获得高质量强流质子束.在实际情况下,由于激光光强横向分 激光等离子体稳相加速机制研究是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，激光等离子体稳相加速机制研究是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，激光等离子体稳相加速机制研究的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。布一般为高斯分布,所以加速过程中固体靶将逐渐弯曲,这将会增加束流的能散和发散角.此外,在加速过程中,横向不稳定性也会影响激光和等离子体之间的相互作用.和靶面鞘层加速机制相比,稳相加速产生的质子束具有能量高､效率高､单色性好等优点.这为将来的台面加速器提供了一种可能的方案,对激光离子加速器走向实际应用将产生重要影响.例如,用一个高功率的激光器和固体靶组成的激光加速器有可能得到200MeV以上的单能质子束,它将有可能用于癌症治疗.采用上述激光加速系统替代现有的常规离子癌症治疗设备,不仅体积小､造价低,而且维护方便,运行费用低廉,十分有利于离子治癌治疗技术的普及和推广.参考文献1 Roth M, Cowan T E, Key M H et al. Phys. Rev. Lett., 2001, 86 : 4362 Patel P, Mackinnon A J, Key M H et al. Phys. Rev. Lett., 2003, 91: 1250043 Borghesi M, Campbell D H, Schiavi A et al. Phys. Plasmas, 2002, 9: 22144 Bulanov S V, Esirkepov T Z, Khoroshkov V S et al. Phys. Lett. A, 2002, 299 : 2405 Spencer I, Ledingham K W D, Singhal R P et al. Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B, 2001, 183 : 4496 Schwoerer H, Pfotenhauer S, Jaeckel O et al. Nature, 2006, 439: 4457 Toncian T, Borghesi M, Fuchs J et al. Science, 2006, 312: 4108 Yan X Q, Lin C, Sheng Z M et al. Phys. Rev. Lett. , 2008, 100 :1350039 李玉同, 徐妙华, 张杰. 物理, 2007, 36 :39Li Y T, Xu M H, Zhang J. Wuli (Physics), 2007,36:39(in Chinese)10 Kruer W L, Estabrook K. Physics of Fluids, 1985, 28 :430“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”其他参考文献Baker, Sheridan. The Practical Stylist. 6th ed. New York: Harper & Row, 1985.Flesch, Rudolf. The Art of Plain Talk. New York: Harper & Brothers, 1946.Gowers, Ernest. The Complete Plain Words. London: Penguin Books, 1987.Snell-Hornby, Mary. Translation Studies: An Integrated Approach. Amsterdam: John Benjamins, 1987.Hu, Zhuanglin. 胡壮麟, 语言学教程 M. 北京: 北京大学出版社, 2006.Jespersen, Otto. The Philosophy of Grammar. London: Routledge, 1951.Leech, Geoffrey, and Jan Svartvik. A Communicative Grammar of English. London: Longman, 1974.Li, Qingxue, and Peng Jianwu. 李庆学、彭建武, 英汉翻译理论与技巧 M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009.Lian, Shuneng. 连淑能, 英汉对比研究 M. 北京: 高等教育出版社, 1993.Ma, Huijuan, and Miao Ju. 马会娟、苗菊, 当代西方翻译理论选读 M. 北京: 外语教学与研究出版社, 2009.Newmark, Peter. Approaches to Translation. London: Pergmon P, 1981.Quirk, Randolph, et al. A Grammar of Contemporary English. London: Longman, 1973.Wang, Li. 王力, 中国语法理论 M. 济南: 山东教育出版社, 1984.Xu, Jianping. 许建平, 英汉互译实践与技巧 M. 北京: 清华大学出版社, 2003.Yan, Qigang. 严启刚, 英语翻译教程 M. 天津: 南开大学出版社, 2001.Zandvoort, R. W. A Handbook of English Grammar. London: Longmans, 1957.Zhong, Shukong. 钟述孔, 英汉翻译手册 M. 北京: 商务印书馆, 1983.Zhou, Zhipei. 周志培, 汉英对比与翻译中的转换 M. 上海: 华东理工大学出版社, 2003.