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自生磁场内激光驱动电子束增强的数MeV光子发射

2016-11-29 09:11
龙凰
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  超强激光脉冲的迅速发展开发了物理学的新领域,这不仅仅体现在基础研究中也体现在工程应用上。利用激光-靶相互作用产生大量数MeV光子的前景近期吸引了特别的注意,这是由于这种方法有很多潜在应用价值,其中包括电子偶产生、实验室天体物理、光子-原子核谱学、辐射治疗以及放射外科学。

  在建的很多激光装置在不久的将来可以达到5 × 1022W/cm2的强度。大多数早前的模拟计算表明对于PW级激光系统来说在强度低于1023W/cm2时同步发射不太可能实现可观激光能量向高能光子的转变。特别地如果要实现百分之十总能量转化率并使辐射反作用效应变得明显激光强度或者激光功率要有一个数量级的提高。

  本文利用2D和3D粒子模拟程序研究了强度为5 × 1022W/cm2PW级激光脉冲辐照固体密度块状靶材时发射的光子。第一步检验了固体厚靶材在被一个激光脉冲辐照时的表现,激光参数和texas PW装置类似。使用5 × 1022W/cm2 PW级激光脉冲对几种不同密度的靶材下进行了2D的PIC模拟。具体来说,使用了一个波长1μm、线偏振(电场方向在模拟平面内)的高斯型脉冲。脉宽100fs。与5 × 1022W/cm2相对应的峰值归一化振幅是a0≈190。靶初始设定为完全电离的均匀碳等离子体,电子密度在ne≈4.5ncne≈110nc之间,这实际上对应了泡沫和塑料靶。nc=1.1×1021cm-3是临界密度。模拟盒子的大小是10×10nm,每个盒子里有20到50个电子以及10到20个离子。

  如图1所示,对于高密度靶,激光穿入靶材只是由于稳定的烧孔效应,而在低密度情况下,激光脉冲通过相对论诱导透明穿过靶材。密度扫描显示数MeV光子产额随着相对论透明的出现而增高。

  图1. 2D模拟下各种密度下激光能量转化为1、10、20MeV光子的效率(板块(b))。板块(a)和(c)展示了ne=10nc,时间为300fs以及ne=50nc,时间为250fs时密度和电场的快照,能量超过10MeV的光子发射用红色圈表示。这两种模拟中辐射能量的时间积分按照发射电子的纵向动量((d)和((f))以及相对于激光原始传播轴夹角((e)和(g))的函数列出。

  图2. (a)2D通道模拟中300fs时磁场Bz以及电子密度的快照。(b)样本电子轨迹(黑色),发射超过2MeV(黑圈),发射超过30MeV(白圈)的能量。背景的颜色表示了单个盒子中发射的能量超过30MeV光子的个数。

  然而,这些优点的得到是以光子束的方向性为代价的。传播在相对论透明区的激光束是不稳定的。当激光脉冲偏离轴向(见图1(a))时被脉冲加速的高能电子也会发生偏离。由于这些电子主要沿着他们动量的方向发射光子,光子束的方向性变得不确定。

  磁场(图2(a))快照的对比揭示了电子电流产生的强磁场的存在,在通道边缘清晰可见。通道内电子可产生的最大磁场可以估算为:

  假定电子密度ne大致为通道电子密度并且R为通道半径。这一表达式同时假定所有的电子都以相对论速度前向移动,事实上,一些电子相对于通道轴线以一定的角度移动。虽然公式(2)最终过高估计了电子电流以及相应的磁场,但提供了一个数量级估计,B=0.3B0,这与~0.2 B0的模拟观测值相当。其中B0≈2×106T,为电磁波的磁场。因此我们可以得到两个结论。第一,估算表明慢变的磁场是由通道内的电子团产生的。更重要的是等离子体可以维持一个与激光脉冲相当的磁场。

  强的自生磁场在一定程度上增加了沿通道移动电子所感受到的磁场。重要的是由这一磁场施加的力没有像在激光场中那样被电场补偿掉。在a0=190时,电子响应时间相对论修正的结果离子的响应时间相当,因此阻碍了强横向类静电场的产生。对典型的自生磁场B~0.2B0,可以得到η2≈4 × 10−3与模拟中观测到的结果相符。这就证实了通道内增强的gamma射线发射直接与强的自生磁场有关。

  综上所述,研究发现既是是在以上激光强度下在一定密度区域内准直的数MeV的光子束可以高效的产生。再这一区域内,在等离子体内驱动了准静态MT量级的磁场:相对论透明,直接激光加速以及同步发射。与以往文献中的密度区域不同,等离子体密度必须明显的低于相对论临界密度。激光脉冲持续时间和等离子体密度必须选择恰当以使强磁场区域足够的长能够使前向运动的电子沿着通道多次反弹。对于PW级别的激光脉冲,预先设计的靶材结构在与激光相互作用时内部的通道变为相对论透明,这一通道可以控制光子束的方向性并且产生数十TW定向的MeV光子。辐射光子的特性会使一些在成像、医学治疗、同位素产生以及核物理方面的新奇应用的发展成为可能。

  摘译自:D. J. Stark, Enhanced Multi-MeV Photon Emission by a Laser-Driven Electron Beam in a Self-Generated Magnetic Field. Physical review letters, 2016, 116: 185003.

 

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