近臨界密度等離子體中超強激光導(dǎo)引與尾波場離子加速

王 琦* 譚陽春 劉夢凡 周 歡 楊宏莎 侯美靜

（ 湖南科技大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭411201）

1 概述

近年來，隨著激光脈沖放大技術(shù)的發(fā)展，如在啁啾激光脈沖放大技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，可以獲得超強超短激光脈沖，通過該激光脈沖與等離子體間的相互作用，粒子可以在較短的距離被加速并獲得較高的能量[1]。激光驅(qū)動等離子體中的電子和離子加速因其在實現(xiàn)小型超高能粒子加速器方面的潛力而受到廣泛關(guān)注[2]。激光尾波場加速機制，當(dāng)合適參數(shù)下的超強超短激光脈沖與近臨界密度的等離子體相互作用時，電子被激光脈沖的有質(zhì)動力推開,形成中心電子密度很低，上下部分密度和前端密度較高的空泡結(jié)構(gòu), 部分電子可以被該空泡結(jié)構(gòu)捕捉從而獲得較高的加速梯度，其能量可以達到GeV/m[3]。在一定條件下，該加速機制提供的電場力足夠強時，質(zhì)子也可以被該空泡結(jié)構(gòu)捕獲加速，從而獲得較高的加速梯度，且質(zhì)子的最大能量可以達到數(shù)GeV[4]。

2 模擬參數(shù)設(shè)置

圖1 電子、氦離子、氚離子分布圖（a）(b)電子分別在50T0 和550T0 時的分布；（c）氦離子在550T0 時的分布；(d)氚離子在550T0 時的分布。

3 模擬結(jié)果與分析

圖1 為電子、氧離子和氚離子在不同時刻的密度分布圖。圖1(a)為當(dāng)超強超短激光脈沖在混合等離子體通道中傳播t =50T0處的電子分布圖，電子受到激光脈沖有質(zhì)動力的影響被推動，向前方和兩邊運動，形成中間密度低，前端和上下兩端密度較高的空泡結(jié)構(gòu)，且該空泡結(jié)構(gòu)的尺寸大小受到激光脈沖焦斑大小的影響，空泡半徑略大于激光脈沖的焦斑半徑。由圖1(b)可以看到當(dāng)激光脈沖在該等離子通道中傳播時間為t=550T0時,該空泡結(jié)構(gòu)仍然存在并向前運動，且在空泡尾部區(qū)域，當(dāng)部分被激光脈沖前沿加速的電子的速度達到一定值時，能夠被尾波場所捕獲并得到更有效地長距離加速，形成高能電子束。而且在空泡傳播演化過程中可以看到，空泡結(jié)構(gòu)尺寸在y 方向的半徑減小，且空泡中大部分電子被排空，但仍有極少部分電子未被排空，存在于空泡中。圖1(c)為氦離子在t=550T0的密度分布圖，由圖可以看到，氦離子分布呈現(xiàn)通道形狀，且通道前端氦離子密度較高。由于氦離子的質(zhì)量遠高于電子，電子先被激光脈沖前沿加速，而氦離子幾乎靜止不動，當(dāng)高密度的電子層形成后會產(chǎn)生超強的靜電場。氦離子受到激光脈沖和靜電場力的影響獲得加速向前運動，當(dāng)其達到一定速度后，能夠隨著空泡結(jié)構(gòu)的演化獲得較長距離加速。圖1(d)為t=550T0時氚離子的密度分布圖，由圖可以看到，氚離子分布如通道形狀，但中間有部分氚離子未被排空，這是因為氚離子的荷質(zhì)高于氦離子的荷質(zhì)比，所能獲得的能量效率較低于氦離子。氚離子作為背景等離子體，對氦離子的加速有著重要的作用。

圖2 電場在y 軸方向的分布演化圖

圖3 粒子在t=550T0 時的動量分布圖和氦離子能量分布圖（a）（b）(c)分別為電子、氦離子和氚離子的相位分布圖。（d）氦離子的能量分布圖。

圖2 為電場在y 軸方向的分布演化圖。圖2（a）為激光脈沖傳播55T0的場強分布，其峰值歸一化矢勢振幅分別為|a|=224，其激光脈沖場強大小與最初的相比基本無變化；圖2（b）為激光脈沖傳播220T0時，|a|=258，在激光傳輸過程中，由于和等離子體相互作用，部分激光脈沖前沿被吸收，脈沖發(fā)生自陡峭作用，其強度大小得到一定增強；圖2(c)為激光脈沖傳播440T0時，|a|=229，激光脈沖與等離子體相互作用過程中能量不斷被消耗，轉(zhuǎn)化為粒子的動能，但激光強度大小仍能保持較高的狀態(tài),雖然其峰值強度略微減弱，但仍高于最初的激光脈沖強度；當(dāng)激光脈沖傳播t=550T0時，如圖2(d)所示，|a|=178，激光脈沖的能量急劇減弱，其電場峰值強度降低，但仍能在等離子體中有效傳輸。

由圖2 可以看出，超強激光脈沖在近鄰界密度等離子體中傳播時，電子分布受到激光脈沖的電場力和磁場力的影響，其分布會形成一定的密度差，等離子體的折射率發(fā)生了一定的改變，其分布結(jié)構(gòu)對激光脈沖具有一定的聚焦放大作用，激光脈沖的焦斑半徑被聚焦縮小和脈沖自陡峭作用，其強度會被進一步增強，但隨著激光脈沖能量的衰減，其激光脈沖的強度也會隨著傳播距離的增加而逐漸降低。在本文中，我們可以看到，激光脈沖在該等離子體中傳播數(shù)個瑞利距離后仍能保持高強度的激光，在能量消耗到一定程度之前，激光脈沖能夠長距離地有效傳播，因此，離子能夠獲得長距離地有效加速，從而獲得高能量粒子束。

圖3 為粒子在t=550T0時動量分布圖和氦離子能量分布圖。

由圖3（a）可以看出，電子能夠在激光尾波場加速機制中獲得較高的動量，且其分布與空泡結(jié)構(gòu)相關(guān)。在激光脈沖的傳播過程中，有大量的電子被空泡捕獲，并在尾波場中能夠獲得長距離的加速，獲得較高的加速梯度。圖3（b）為氦離子的動量分布圖，由圖可以看出大部分的氦離子也能被有效加速，但由于其質(zhì)量遠高于電子，且受到能量之間傳遞效率的影響，其動量低于電子的動量。圖3（c）為氚離子的動量分布圖，由圖可知，氚離子也能獲得較高的動量，但由于其荷質(zhì)比較高，獲得的加速梯度低于氦離子。由圖3（d）可以看出，有較多氦離子的能量高于1GeV,其中氦離子的最高能量能夠達到4.5GeV,遠遠高于醫(yī)療所需的每核子250MeV。

4 結(jié)論

綜上所述，我們通過利用二維粒子模擬仿真證明，在合適的條件下，超強激光脈沖與近臨界密度等離子體相互作用時，激光脈沖能夠在等離子體通道中有效地傳輸數(shù)個瑞利距離。在此過程中，電子會形成類似于空泡的結(jié)構(gòu)分布，且其空泡半徑大小隨著激光脈沖焦斑半徑的變化而變化。在此過程中，有部分電子在被激光脈沖前沿加速達到一定值后，能夠被激光尾波場所捕獲加速，從而獲得更高的加速梯度。部分氦離子在此過程中也能夠被有效地加速，獲得較高的加速梯度，其最高能量能夠達到4.5GeV。氚離子作為背景等離子體，對氦離子的加速有著重要的作用，且氚離子也能被加速，獲得一定的能量。