激光等离子体加速器研究综述

　第11卷　第4期强激光与粒子束V o l.11,N o.4 1999年8月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S A ug.,1999　

文章编号:　1001—4322(1999)04—0499—06

激光-等离子体加速器研究综述Ξ

高　宏,　刘盛纲

(电子科技大学高能电子学研究所,成都,610054)

摘　要:　综述了有关激光尾场加速器、等离子体拍频波加速器、多束激光脉冲驱动的尾

场加速器以及自调制激光尾场加速器的概念及其基本特性,概述了近期的实验结果。介绍了等

离子体波的产生机理及等离子体波中电子的俘获和加速,并讨论了存在于激光2等离子体加速

器中的一些限制和今后发展前景。

关键词:　激光2等离子体加速器;　等离子体波;　电子俘获和加速

中图分类号:　TN248 文献标识码:　A

激光2等离子体加速器源于20年前T aji m a和D aw son[1]提出的用激光束激发等离子体波来加速电子的想法。但限于当时的激光技术,研究工作多以理论为主。最近几年,由于激光技术的飞速发展,特别是基于啁啾脉冲放大技术的紧凑T瓦级激光系统的发展,使激光2等离子体加速器的研究又趋活跃并获巨大进展。目前人们在实验上已观察到高达100M eV能量的加速电子[2],并从理论上揭示了激光尾场加速器和等离子体拍频加速器的机制。

激光2等离子体加速器之所以引起人们的浓厚兴趣是因为它能保持非常大的加速梯度。而传统的直线加速器(R F L inacs)由于击穿电压的限制,加速梯度大约在100M V m的量级。由激光脉冲激发的等离子体波的电场可以高达非相对论波裂场(w aveb reak ing field)的量级,即E0=c m eΞp e,或E0 V・c m-1≈0.96[n0 c m-3]1 2,其中Ξp=(4Πn0e2 m e)1 2为等离子体电子频率,n0是环境电子密度。E0的意义是当所有的等离子体电子都以Ξp频率振荡时的最大等离子体波场。可以估计当n0=1018c m-3时,E0≈100GV m,这比传统的直线加速器高3个量级。

F ig.1　Schem atic of the p las m a w ave generati on in L aser2p las m a accelerato rs:

(a)LW FA,the dashed curve is a p las m a w ave w h ich w as driven by a sho rt laser pulse(so lid curve);(b)PBWA;

(c)M L P2LW FA;and(d)S M2LW FA,in w h ich an initially long pulse(dashed curve)break s up into

a series of sho rt pulses and resonantly drives a p las m a w ave.T he laser pulses are moving to the righ t

图1　激光等离子体加速器中等离子体波产生示意图。(a)LW FA,虚线代表由激光脉冲激发的等离子体波;(b)PBWA;

(c)M L P2LW FA;(d)S M2LW FA,初始长脉冲激光(虚线)裂解成一系列的短脉冲共振激发等离子体波,激光脉冲向右运动

Ξ电子科技大学青年科学基金资助课题

1998年11月9日收到原稿,1999年5月17日收到修改稿。

高　宏,男,1969年5月出生,博士后

005强激光与粒子束第11卷

激光2等离子体加速器按激发源方式可分为(1)激光尾场加速器(LW FA),(2)等离子体拍频波加速器(PBW A),(3)多束激光脉冲驱动的尾场加速器(M L P2LW FA),(4)自调制激光尾场加速器(S M2LW FA)四种,它们的结构示意图如图1所示。下面在我们对这几种加速器的概念及其特性综述之前,先介绍一下激光脉冲激发等离子体波产生的机理以及电子俘获和加速的有关问题,最后简单讨论一下目前存在的问题及今后研究展望。

1　等离子体波的产生

1.1　有质动力

在激光2等离子体加速器中,尾场(等离子体波)是由有质动力激发的。在线性近似下,即 a =e A m c2ν1,其中激光脉冲矢势A的偏振主要在横向,三维有质动力可表示为F p=-m c2

(a2 2)。在一维非线性区,有质动力为F p z=-(m c2 2Χ)5a2⊥ 5z,其中Χ是相对论因子,a⊥是归一化摇摆动量。在三维非线性区,为F pN=-m c2 Χ。

1.2　等离子体波

在三维线性区,尾场的产生可用冷流体模型来研究,即联立求解泊松方程、连续方程和运动方程。一维非线性尾场的激发可由假设驱动束不随时间变化来研究。研究二维非线性尾场通常需要粒子模拟。在线性区,E m axνE0,其中E m ax是等离子体波的峰值振幅,E0是非相对论波裂场。等离子体波为一个频率为Ξp以及相速为v p的简单的正弦振荡。当E m ax≥E0后,等离子体波成为高度非线性,将不再是一个简单的正弦形式,一般来说,电场的特征是形如锯齿并且波形更陡峭的振荡,密度振荡则变为尖峰状;另外,非线性等离子体波的周期会随波振幅的增大而增加,在Χpµ1时,Χp是等离子体波的相对论因子,非线性等离子体波波长可写为[3]

ΚpN=Κp1 E m ax E0ν1

(1)

(2 Π)E m ax E0 E m ax E0µ1

等离子体波周期增加对激光2等离子体加速器具有重要的影响。

1.3　波裂

非相对论波裂场的值可由泊松方程 ・E=4Πe(n0-n e)来估计,当所有等离子体电子都以波数k p振荡时,k p E m ax=4Πen0或E m ax=E0,所以E0=4Πen0c Ξp(见前言)。对于非线性等离子体波,最大振幅超过E0是可能的。在一维非线性相对论冷流体模型中,等离子体波的最大振幅为E WB=2(Χp-1)1 2E0。E WB则被称为相对论波裂场。例如考虑密度为n0≈1016c m-3的等离子体,等离子体波相速接近激光的群速,Χ≈Ξ Ξp,Ξ是激光频率。当激光波长为1Λm时,Χp ≈330,E WB≈26E0≈250GV m。考虑热电子效应时,上述波裂场的值会降低。上述结果是在一维近似下得到的,二维的研究方法主要限于粒子模拟,而对三维波裂场目前还没有充分的研究。实验上目前观察到的尾场振幅在10%～30%之间,远低于波裂极限。

2　电子的俘获和加速

当电子被等离子体波加速时,其速率v z将增大并接近光速。如果等离子体波的相速v p

在一维等离子体波中,电子的俘获、加速和失谐是由考察相空间(Χ,7)中的电子轨道来