激光等离子体相互作用中电子空泡形态演化模型及其在电子加速的应用

Electron bubble is an important issue for laser Wakefield acceleration. Generally speaking, the theoretical work on the electron bubble are based on spherical assumption, which suppose the bubble should be a sphere if the bubble velocity is equal to the vacuum light speed and residual electron inside bubble is zero. However, the shape of bubble is ellipsoid in any generic respect and the spherical require rigorous parameters limit. A clear theoretical descript for ellipsoid bubble, can help us to understand the bubble evolution and related physics phenomenon in the laser electron acceleration. We will develop such a model based on a pure ellipsoid assumption, on the basis of our previous work. We will investigate the influence of the parameters and physics phenomena in an ultra-intense short pulsed laser interaction with under dense plasma on the bubble shape evolution. Furthermore, the bubble shape play an important role to the electron self-injection, therefore to the beam quality of acceleration electrons. From this work, we will try to find a new scheme to obtain the electron bunch with much higher beam quality.

激光等离子体加速是未来小型化台式电子加速器的主要候选方案，具有重要的应用前景。而电子空泡是其中的一个重要研究对象。针对电子空泡的相关研究大多数是基于球形假设。球形空泡需要比较严格的参数匹配，而数值模拟和实验表明，在一般情况下空泡形态是非球形的，并且空泡形态会随着激光传播发生演化。球形假设限制了对空泡中电子动力学的理解分析，得到的结果与实验也有所偏差。针对空泡的一般形态，特别是非球形情况下开展深入的研究，将有助于理解电子空泡的演化及加速相关物理过程。本项目将在椭球型空泡假设的基础上，发展完善空泡形态理论模型；分析激光等离子体加速中空泡形态演化的物理图像，分析影响空泡形态演化的机理。从空泡形态对电子自注入问题出发，研究空泡形态及演化对电子加速的影响，探索产生高品质的电子束的更合理的实验方案。

激光等离子体加速是强场激光物理中一个重要的研究方向，在新型高能加速器、台式粒子源、癌症治疗、新辐射源等方向有重要的应用前景。其中，电子空泡图景是电子加速及新型辐射源的一个重要的研究对象。本研究课题针对一般情况下空泡是非球形的这一现象，在椭球型空泡假设的基础上，在原有的理论基础上发展完善了空泡形态理论模型，建立了椭球型空泡的内部场分布表达式和空泡形状因子表达式， 分析了空泡形态对引导束、等离子体参数的依赖关系，讨论了多个物理过程对空泡形态演化的影响, 包括引导束的自聚焦、能量耗散、自然散焦，也包括引导束为高能粒子束时的beta震荡等。此外，我们还讨论了在密度上升和下降的密度梯度等离子体靶内传播是空泡演化规律。在此理论模型基础上，我们开展了针对等离子体加速和辐射中的一些问题的研究，包括提出了空泡壁回流电子的向后 THz 辐射新机理；分析了高能电子束激发的等离子体空泡特性和自注入问题，研究了 PWFA 中空泡图景密度跃变注入和中空型高能电子束激发的纵向注入机制；讨论了空泡形态对注入电子自旋的影响，研究了粒子束 激发的电子空泡中离子加速的可行性；提出了基于激光与受限质量靶相互作用产生中红外-THZ 辐射的机 制和利用等离子体通道约束激光来增强 RPA方案 后期加速稳定性的方案。这些工作是对等离子体加速理论的有益补充和完善。