多束斜入射激光在等离子体中产生大电荷量高能电子束的研究

Laser plasma wakefield acceleration (LPWA) has attracted continuous interest over the past few decades, motivated by its potential applications in X-ray source, nuclear fuision and biomedical application, etc. For the sake of practical applications, it is very important to keep improving the energy, qualities and intensity of energetic electrons generated by LPWA. Some previous researches show that high-charged electron brunches can be generated by using two laser beams. In this project, it is proposed that much more energetic electrons, with good beam qualities, can be produced by using three and more intersecting laser beams in an under-dense plasma, due to the merge of bubbles and electron brunches. The dependencies of this merge on parameters of laser and plasma are going to be investigated. Meanwhile, it needs to be confirmed whether new mechanism of electron injection exists in the merge process. This research may be helpful for LPWA experiments.

激光等离子体电子加速因其在新型光源，聚变能源，生物医疗等领域都有着广泛的应用前景得到了越来越多的关注，其中提高高能电子的能量、质量、电荷量等方面的性质是非常重要的研究内容。申请人和其他研究者之前的研究表明使用两束激光可以在很大程度上提高高能电子束的电荷量。在此基础上，本项目拟借助三维PIC模拟，使用三束及更多束斜入射激光，在稀薄等离子体中，通过等离子体空泡和电子束的合并，产生大电荷量的高能电子束，同时保持高能电子束依然具有很高的聚焦性质。在考察激光和等离子体参数对空泡和电子束合并的影响的同时，本项目还要探讨合并电子束中电子的来源，进而确定空泡合并过程中是否存在新的电子注入机制。这一研究对提高激光等离子体电子加速的实际应用，有着一定的指导意义。

激光等离子体电子加速因其在新型光源，聚变能源，生物医疗等领域都有着广泛的应用前景得到了越来越多的关注，其中提高高能电子的能量、质量、电荷量等方面的性质是非常重要的研究内容。本项目在天河II号超算集群上使用EPOCH三维PIC模拟程序，研究了四束高能短脉冲激光在稀薄等离子体中产生空泡和电子束，以及空泡和电子束的合并过程，对比了不同激光和等离子体参数下，合并电子束的电荷量和质量（能散度、发散度等）。由此发现在合适的激光和等离子体参数下，四束高能短脉冲激光在稀薄等离子体中产生的空泡和电子束合并过程可以形成大电荷量的合并电子束，合并电子束的电荷量是单束激光情况下的约四倍，并且合并电子束具有低能散度和较低发散度的特点。在此基础上，通过对合并电子束中电子的标记和跟踪，研究了合并电子束中的电子的来源和初始位置分布，通过对合并电子束中电子进行分类，分析了每一类电子的注入过程。由此发现在空泡和电子束的合并过程中，存在两种新的电子注入机制：艏波电子（BWE）和外边缘电子（EOE）。这两种电子注入机制不同于传统的自注入电子（SIE），它们只能发生在多束激光导致的多个空泡和电子束的合并过程中。其中，艏波电子为一束激光通过有质动力加速的电子穿过对向激光产生的空泡壁，进入空泡被加速电场捕获而形成的高能电子。这部分电子在传统的单束激光加速过程中是不会被捕获的，因此不会变成高能电子。而外边缘电子是两个（或者四个）相邻的空泡外侧附近的电子在两个（或者四个）空泡外侧形成的叠加增强横向电场中被加速进入捕获相位形成的高能电子。这部分电子在传统的单束激光情况下处于空泡的外围，所处位置的横向电场不足以将其加速到捕获相位，因此不能变成高能电子。由此可见，艏波电子和外边缘电子的注入机制只能发生在多束激光产生的空泡和电子束合并过程中，是完全的多束激光效应，是新的电子注入机制。本项目一方面对提高激光等离子体电子加速获得的电子电荷量有很强的借鉴意义，推进了激光等离子电子加速器的实际应用；另一方面，两种新的电子注入机制加深了人们对电子在多束激光形成的空泡中的运动过程的了解。