激光與陡峭密度梯度等離子體相互作用電子加熱機(jī)制研究

黃永盛，湯秀章，路建新，蘭小飛，張 驥

（中國原子能科學(xué)研究院 高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

激光與陡峭密度梯度等離子體相互作用電子加熱機(jī)制研究

黃永盛，湯秀章，路建新，蘭小飛，張 驥

（中國原子能科學(xué)研究院 高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

本文利用二維PIC模擬了超短超強(qiáng)激光與陡峭密度梯度等離子體相互作用過程中電子的加熱機(jī)制。結(jié)果表明，在1023W／cm2的超短超強(qiáng)激光場與陡峭密度分布的μm級(jí)等離子體層相互作用的過程中有質(zhì)動(dòng)力加速、大幅度等離子體尾場及共振吸收共同決定了電子束的加速與加熱。

超短超強(qiáng)激光；等離子體；電子；等離子體尾場

隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，利用激光轟擊固體靶得到準(zhǔn)單能的高能離子束在超高梯度加速器的小型化［1］、質(zhì)子束驅(qū)動(dòng)核聚變［2-3］、高能γ射線產(chǎn)生［4-5］、質(zhì)子治癌及作為傳統(tǒng)加速器的注入器等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。靶法線殼層電場加速機(jī)制（TNSA）［6］是一目前被普遍認(rèn)可的描述激光轟擊固體靶產(chǎn)生高能離子的加速機(jī)制，其理論基礎(chǔ)是等離子體真空自由膨脹模型。但目前尚無合適的理論來描述在超短時(shí)間尺度具有非麥克斯韋分布的非準(zhǔn)中性的等離子體膨脹，因而TNSA加速機(jī)制仍不太清楚。

當(dāng)一束超短超強(qiáng)脈沖激光與固體密度的等離子體相互作用時(shí)，Brunel［7］提出了真空加熱的物理機(jī)制來解釋具有陡峭密度梯度的等離子體中的電子加熱過程。對(duì)于中等強(qiáng)度的激光，真空加熱機(jī)制受到人們的認(rèn)可。真空加熱機(jī)制是基于“電容假設(shè)”的設(shè)想，忽略波的磁場。假設(shè)激光電場有一沿靶法線方向的分量，在此分量的作用下電子在平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此過程中電子的平均能量隨時(shí)間不斷增加，因而被加熱，這是一種新的加熱機(jī)制，不同于共振吸收［8-9］和J×B加熱［10］。但對(duì)于超相對(duì)論的激光場，真空加熱機(jī)制不再重要。為了研究超相對(duì)論下的電子加熱機(jī)制，本文利用二維PIC（particle in cell）模擬激光在其歸一化場強(qiáng)a＝223時(shí)與陡峭密度分布的等離子體的相互作用，并分析其中的電子加熱機(jī)制。

1 電子加熱機(jī)制數(shù)值模擬的初始狀態(tài)

圖1為PIC模擬初始狀態(tài)。在PIC中對(duì)參數(shù)均進(jìn)行了歸一化處理：x1、x2分別為電子縱向和橫向坐標(biāo)；時(shí)間歸一化為等離子體頻率；長度歸一化為c／ωp，其中c為真空光速，ωp為等離子體頻率；能量歸一化為電子靜止能量初始化的物理狀態(tài)。模擬時(shí)激光聚焦在靶的前表面，等離子體密度為50nc（nc為等離子體的臨界密度），激光歸一化場強(qiáng)a為223。

圖1 PIC模擬初始狀態(tài)Fig.1 Initial condition of PIC simulation

2 模擬結(jié)果及分析

圖2～9為不同時(shí)刻模擬的電子狀態(tài)及電場分布圖。圖中，p1、p2分別為電子縱向和橫向動(dòng)量；nE為電子密度隨能量的分布；Ee為電子能量；np為電子密度隨動(dòng)量的分布。

圖2 t＝0.035 621fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.2 State of electron and distribution of electric field at t＝0.035 621fs

激光與電子相互作用發(fā)生的時(shí)間極短（幾個(gè)fs）。在t＝0.035 621fs時(shí)，電子可獲得10mec的動(dòng)量，且加速的電子幾乎被一起推進(jìn)靶。在此過程中，電子的加速由有質(zhì)動(dòng)力決定，不屬于真空加熱，電子未往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由圖2可看出，t＝0.035 621fs時(shí)，電子能譜幾乎為均勻分布。

由圖3可看出，t＝0.356 21fs時(shí)電子密度分布出現(xiàn)了典型的波浪結(jié)構(gòu)。能譜出現(xiàn)了1個(gè)微峰結(jié)構(gòu)。但總體而言，所有電子仍被有質(zhì)動(dòng)力推動(dòng)，未往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電子的局部密度很高。

圖3 t＝0.356 21fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.3 State of electron and distribution of electric field at t＝0.356 21fs

由圖4可看出，t＝0.712 42fs時(shí)被加速的電子進(jìn)入靜止的電子區(qū)域，激光場推動(dòng)了新一層的電子層，高能電子進(jìn)一步增多，并被熱化，所以從能譜中可看到1個(gè)新的微峰結(jié)構(gòu)，這段時(shí)間內(nèi)有質(zhì)動(dòng)力加熱占主導(dǎo)。

圖4 t＝0.712 42fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.4 State of electron and distribution of electric field at t＝0.712 42fs

由圖5可看出，t＝1.068 6fs時(shí)，第2層電子進(jìn)一步被加速，并逐步追趕上第1層電子，第1層電子已逐步熱化，電子最大能量已接近40MeV。但此時(shí)電子區(qū)域仍處于被激光場壓縮1／4周期的過程中，有質(zhì)動(dòng)力加速仍占主導(dǎo)，等離子體的電荷分離場仍不足以將電子拉回，從而無法形成電子回流。

圖5 t＝1.068 6fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.5 State of electron and distribution of electric field at t＝1.068 6fs

由圖6可看出，在接近2fs時(shí)，在電子區(qū)域已出現(xiàn)了較強(qiáng)的等離子體電荷分離場，但此場仍小于激光有質(zhì)動(dòng)力場，不具備形成電子回流的條件。此時(shí)被有質(zhì)動(dòng)力加熱的電子已熱化，分為兩群：1）高能（20～30MeV）低溫約2.5MeV；2）低能（0～20MeV）高溫約10MeV。且熱化的電子層厚度達(dá)0.1μm，電子感受到的激光場為小于1／4周期的y方向的場。

圖6 t＝1.959 2fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.6 State of electron and distribution of electric field at t＝1.959 2fs

從圖7可看出，當(dāng)t＝3.562 1fs時(shí)，在空間電荷力的作用下，電子出現(xiàn)回流效應(yīng)，而此時(shí)被有質(zhì)動(dòng)力加熱的電子已接近熱平衡。電子能量在90MeV處截止，溫度約為18MeV。由于電子回流效應(yīng)的出現(xiàn)，電荷分離場將出現(xiàn)雙極場形式。電子的速度幾乎均為正值，無明顯的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不滿足真空加熱的情況。

圖7 t＝3.562 1fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.7 State of electron and distribution of electric field at t＝3.562 1fs

從圖8可看出，當(dāng)t＝7.124 2fs時(shí)，雙極型電荷分離場形成，有明顯的電荷分離場。在激光場振幅處，電子有共振吸收的情況。由于在y方向電子被共振加熱，因此，整個(gè)靶型開始扭曲。在x方向，電子群分為兩部分：1）高能部分，被有質(zhì)動(dòng)力加速并達(dá)到熱平衡；2）回流部分，被電荷分離場牽制并熱化。

圖8 t＝7.124 2fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.8 State of electron and distribution of electric field at t＝7.124 2fs

由圖9可看出，當(dāng)t＝21.016 3fs時(shí)，等離子體薄膜幾乎解體，整個(gè)電子群分為兩群，一群是被有質(zhì)動(dòng)力加速的，中心能量為300MeV，能散為100MeV，另一群是被等離子體尾場加速并熱化的，溫度約為64MeV。在低能區(qū)，由于電子的總數(shù)不變，隨等離子體的快速膨脹，所占的空間迅速增加，因而其密度就會(huì)快速下降。由圖9還可看出，在激光場中等離子體出現(xiàn)了明顯的共振調(diào)制。

圖9 t＝21.016 3fs時(shí)電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.9 State of electron and distribution of electric field at t＝21.016 3fs

3 結(jié)論

從上述模擬結(jié)果可知，超強(qiáng)激光場與陡峭密度分布的μm級(jí)的等離子體層相互作用的過程中，電子加熱的機(jī)制有以下3種。

1）被激光場有質(zhì)動(dòng)力加速，為高能部分，中心能量為600MeV，能散為100MeV，沿激光方向出射。

2）被激光等離子體尾場加速并熱化，形成明顯的雙極型的電荷分離場及電子回流效應(yīng)。溫度在64MeV左右，主要為雙向發(fā)射的電子束。

3）在y方向，當(dāng)?shù)入x子體尾場形成后，等離子體開始膨脹，有電荷回流效應(yīng)后，部分等離子體能處于激光場振幅相位處，電子被明顯地共振加熱。這將直接導(dǎo)致薄膜靶的扭曲解體。

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Study of Electron Heating Mechanism in Interaction Between Laser Pulse and Plasmas With Steep-density Distribution

HUANG Yong-sheng，TANG Xiu-zhang，LU Jian-xin，LAN Xiao-fei，ZHANG Ji
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275-7，Beijing102413，China）

The electron heating mechanism was studied using PIC simulation in the interaction between the ultra-short ultra-intense laser and the steep-density scale length plasmas.It is found that the ponderomotive acceleration，large amplitude plasma wake field and resonant absorption determine the heating of electrons.

ultra-short ultra-intense laser；plasma；electron；plasma wake field

O434；TL65

A

1000-6931（2014）02-0213-06

10.7538／yzk.2014.48.02.0213

2013-05-30；

2013-07-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11105233，11105234）；973計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011CB808104）

黃永盛（1982—），男，山西忻州人，副研究員，博士，從事激光等離子體相互作用及激光粒子加速研究