超强激光激发的等离子体尾波中的离子运动效应理论研究

The laser-excited plasma wake field is considered as the most promising candidate for the development of table-top electron accelarator,and it has many potential application in other regime such as ion acceleration.Recently there are great advances in wakefield accelerating electrons,however,with the development of laser technology the ultraintense laser-driven wake field will inevitablely drive plasma ion motion, which will further supress wakefield resonantly excitation and influence the wake accelerating electrons, in this case ion motion must be considered in the theory of wake wave. In this project, a two-dimension analytical model for plasma wake would be built for studying ion motion-related physical problem in wakefield excited by ultraintense laser in basis of fundamental equations and computer simulation.The main research contents are as follows: the effect of ion motion driven by ultraintense wakefield, including its influence on wakefield resonantly excitation and the wakefield accelerating electron;the effect of self-generated magnetic field on electron acceleration and ion motion; the feasibility of the generation of high power ion bunch with small scale through soliton-like wake accelerating ions.The project is helpful for not only giving an insight into laser-driven wakefield but also development of table-top particle accelerator.

激光在稀薄等离子体中激发的尾波场被认为是最有可能应用于台面式电子加速器的研制，它在离子加速等领域也有潜在的应用价值。近年来尾波加速电子的研究取得很大进展，随着激光技术的发展，超强激光激发的尾波场必然驱动等离子体离子运动，压制尾波场共振激发，影响尾波加速电子效果，因此，在超强激光激发的尾波理论中必须考虑离子运动，目前这方面的研究较少。本课题拟从基本方程出发、结合计算机粒子模拟，建立包含离子运动、自生磁场在内的激光激发尾波场的二维解析模型，并以此为基础开展尾波中离子运动相关物理问题的研究。主要研究超强尾波场驱动的离子运动效应，包括离子运动对尾波场共振激发的压制及其对尾波加速电子的影响，自生磁场对电子加速、离子运动的作用，并探索孤子状尾波场加速产生小尺度高能离子团的可行性。本课题的研究不仅有益于深入认识超强激光激发的尾波基本特性，而且对于台面式电子及离子加速器的研制具有重要参考价值和指导意义。

强激光驱动的等离子体尾波加速电子在实验上已经取得巨大的进展，有望实现小型台面电子加速器。由于电子与离子的质量相差很大，目前的尾波理论一般不考虑离子运动，然而，随着激光技术的发展，激光功率已经达到帕瓦量级，将来还会更高，这种超高强度激光驱动的尾流场必然会驱动离子运动，尾波理论必须考虑离子运动。本课题建立的超强激光激发的尾波解析模型，不仅包括等离子体离子运动，还考虑了低频自生磁场的产生。在过去的三年中，本课题结合解析模型和PIC粒子模拟，研究了离子运动对强激光共振激发等离子体尾波的压制，定量得到离子运动明显压制尾流场激发的激光强度阈值，并比较了重离子和质子等离子体中的离子运动效应；研究了毛细管引导的等离子体尾波中的离子运动效应，发现离子运动压制尾波激发的程度不仅与激光强度有关，还与毛细管半径有关；研究了无界和毛细管等离子体中的低频自生磁场的产生，发现在强激光情况下，尾波空泡中的角向自生磁场强度可以和静电场相比较，不可忽略，角向磁场的环形分布有利于电子聚焦加速；探索尾波有效加速质子的可行性，当选取背景等离子体密度比激光等离子体共振时密度稍高，能够得到孤子状空泡，空泡中是一团高能量密度离子团，说明在超强激光情况下是有可能产生高能离子团；我们还研究了自注入和电离注入情况下离子运动对电子加速的影响，发现离子响应对电子峰值能量影响不大，但在电离注入时对电子束能散有影响。本课题在研究超强激光激发的等离子体尾波中离子运动效应的同时，还对它涉及的尾波辐射和激光与近临界密度相互作用进行了研究，延伸了它的应用发展空间。本课题研究内容对以后的实验实施提供理论和指导作用。