超强激光等离子体相互作用中准静态磁场和电场及相对论电子的加速研究

论文摘要

超强激光，这里及以下指超短脉冲(皮秒～飞秒量级，10-12s～10-15s)超强(1018～1021W／cm2)激光，它与相对论等离子体的相互作用是惯性约束聚变（ICF）“快点火”方案的中心问题。其中关键物理问题之一是超强激光等离子体相互作用中准静态自生磁场和电场的产生以及相对论电子束在准静态自生磁场和电场中的加速和准直。关于这个问题的研究还对新型激光粒子加速器以及天体物理中粒子加速机制和γ射线爆发等方面的探索具有非常重要的意义。目前，无论动力学理论还是流体力学理论都不存在一个自洽的模型能够统一地给出完整的准静态自生磁场（包括轴向和环向两个分量）和自生电场的解析表达式。目前，关于电子加速的研究也主要集中在非常短的飞秒超强激光脉冲过后的尾流场加速研究，这里的脉冲周期T1与等离子体电子特征响应时间ωpe-1(ωpe是等离子体电子Langmuir频率)是可比的。但是快点火方案中激光脉冲周期是皮秒量级的，通常满足T1（?）ωpe-1电子主要是在激光脉冲内由激光场和准静态场联合作用加速的，此时激光尾流场效应是可以忽略的。关于这个方面的研究现在还非常不充分，还没有一个自洽的工作将完整的准静态自生场都统一地考虑进去，并分析它们在电子加速中的作用。 本论文从相对论动力学理论（相对论的Vlasov-Maxwell方程组）和相对论流体力学理论（十矩Grad近似流体方程组和Maxwell方程组联立）两种不同的理论框架出发，分别建立了一个自洽的关于超强激光等离子体相互作用中准静态自生磁场和电场的微观动力学模型及流体力学模型。两个模型都从各自的理论体系上统一地给出了完整的准静态自生磁场和电场的产生机制和解析表达式，且二者的结果基本一致。完整的准静态自生磁场包括沿激光传播方向的轴向分量和垂直于激光传播方向沿着方位角方向的环向分量。结果表明，圆极化（CP）激光可以同时产生轴向磁场Bz和环向磁场Bθ。轴向磁场是由CP激光作圆运动电场作用下电子非线性运动形成的低频有旋电流产生，它来自两方面，一是高频电磁场（激光场）的非线性拍频（beat）导致电子低频运动驱动的有旋电流，二是电子高频的密度扰动和它在激光场中的高频振荡圆运动非线性耦合驱动的低频有旋电流。环向磁场是由激光的有质动力驱动的沿着激光传播方向的无旋电流产生的。对于线极化（LP）激光，由于无有旋电流，轴向磁场不存在。准静态自生电场Es主要是由有质

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 强激光等离子体相互作用
• 1.1.1 激光等离子体相互作用的关键参数
• 1.1.2 激光的碰撞（逆韧致）吸收
• 1.1.3 激光等离子体中的主要相互作用过程
• 1.1.4 强激光等离子体相互作用的研究历史和现状
• 1.2 超强激光等离子体相互作用
• 1.2.1 激光啁啾脉冲放大技术和高功率激光装置
• 1.2.2 超强激光等离子体相互作用的特点
• 1.3 快点火概念及物理机理
• 1.3.1 快点火基本概念
• 1.3.2 点火能量和能量增益
• 1.3.3 快点火的优点和有待研究的关键问题
• 1.4 超强激光等离子体相互作用物理综述
• 1.4.1 超强激光等离子体相互作用中通道的形成及演化
• 1.4.2 超强激光的自聚焦和成丝不稳定性
• 1.4.3 超强激光脉冲在通道中的传播
• 1.4.4 电子和离子的加速机制及其在等离子体中的输运
• 1.4.5 准静态自生磁场的产生
• 1.5 超强激光等离子体相互作用中的高能产物和核过程及核反应
• 1.5.1 硬X射线和γ射线
• 1.5.2 高能离子
• 1.5.3 中子、核过程和核反应
• 1.6 激光天体物理应用
• 1.7 本论文研究背景和主要研究工作
• 参考文献
• 第二章 超强激光等离子体相互作用中准静态自生磁场和电场动力学研究
• 2.1 准静态自生磁场的研究现状
• 2.1.1 长脉冲强激光与等离子体相互作用中的准静态磁场研究
• 2.1.2 超强激光与等离子体相互作用中的准静态磁场研究现状
• 2.1.3 准静态自生磁场动力学理论的发展
• 2.2 准静态自生磁场和电场动力学模型
• 2.2.1 动力学模型推导
• 2.2.2 准静态自生电场和等离子体密度通道
• 2.2.3 准静态自生磁场
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 数值解与实验结果比较
• 2.3.2 粒子模拟结果
• 2.4 结论
• 附录
• 参考文献
• 第三章 准静态自生磁场的流体力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 准静态自生磁场流体力学模型
• 3.3 超强聚焦激光束与低密度等离子体相互作用中的轴向准静态自生磁场
• 3.4 超强聚焦激光束与低密度等离子体相互作用中的环向准静态自生磁场
• 3.5 Giga-Gauss准静态磁场的产生
• 3.6 结论
• 参考文献
• 第四章 超强激光等离子体相互作用中相对论电子的加速和准直
• 4.1 引言
• 4.2 相对论电子的流体运动方程
• 4.3 高斯超强聚焦激光束产生的准静态场和有质动力
• 4.3.1 准静态自生场
• 4.3.2 有质动力
• 4.4 数值求解与分析
• 4.4.1 电子加速的基本物理图象
• 4.4.2 初始径向不同位置电子的加速以及形成的相对论电子束的品质
• 4.4.3 不同等离子体密度和激光强度下的电子加速
• 4.5 超强激光近临界密度等离子体中电子的加速
• 4.6 讨论和结论
• 参考文献
• 第五章 电子在超强激光场与准静态场联合作用下的共振加速
• 5.1 引言
• 5.2 圆极化激光场和恒定准静态场下的共振加速
• 5.3 高斯型圆极化超强激光场和自恰的非恒定准静态场下的共振加速
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 论文总结
• 博士期间发表论文情况
• 个人简历
• 致谢