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激光等离子体中强朗缪尔激元对粒子的加速

路飞飞  
【摘要】: 随着超短超强激光技术的发展,人们对激光等离子体中的荷电粒子加速问题产生了浓厚的兴趣。由于电子加速在新型粒子加速器、惯性约束聚变的快点火等应用中起着重要的作用,因此对电子加速的研究备受人们的关注。同样,通过研究离子加速,我们可以获得激光等离子体相互作用过程中很多有价值的信息,比如分析激光自聚焦、通道的形成、反常中子的产生以及激光在等离子体中强度的变化等现象。现有的电子加速机制有:激光尾场加速、拍波加速、逆韧制辐射加速、逆契仑柯夫加速等。同样,离子加速机制有:快电子产生的静电场对离子的加速、超强激光引起的库仑爆发加速、薄片状冲击波加速等。这些加速机制都能很好地解释高能粒子为什么能够加速,然而,它们却没能对一些实验室中观测到的高能离子、电子能谱为什么呈指数的形式进行解释。 激光在等离子体中存在着多种等离子体不稳定性,波和粒子之间进行着频繁的相互作用,波和波之间又存在着各种形式的能量交换,构成一幅非常复杂的相互作用图像。其中,由于调制不稳定性的存在,朗缪尔波的空间尺度变得越来越短,最后导致朗缪尔波坍塌,形成强朗缪尔湍动。在这个过程中,电场引起的有质动力发挥着重要作用。当朗缪尔波的振幅很大时,有质动力将等离子体从强电场区域排向弱电场区域,同时朗缪尔波被压缩。这种过程的延续会使高场强区域尺度越来越小,场强越来越高;当场强达到足够高时,由于强朗缪尔激元和粒子频繁的“碰撞”,能量从朗缪尔激元向粒子转移,最终实现粒子加速。 本文利用强朗缪尔激元湍动加速机制分别研究了激光等离子体中离子和电子的加速。从福克——普朗克方程出发,考虑激光等离子体临界面附近的边界条件,分别得到了离子和电子的能量谱函数。理论得到的粒子能量谱呈指数形式。根据不同实验条件,恰当的调整参数,发现理论得到的能量谱能够与大部分实验观测谱很好的拟合。分析可知,强朗缪尔激元的湍动加速机制解释激光等离子体中的离子或电子的加速问题是非常有效地。


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