近QED強度激光場中電子運動及輻射特性的研究.pdf

1、激光與物質(zhì)相互作用是物理學(xué)中一直倍受關(guān)注與研究的核心問題之一。近年來，隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，實驗室可獲得聚焦強度超過1022W/cm2、脈寬短至幾飛秒（fs）的超強超短激光脈沖。并有望通過ELI（ExtremeLight Infrastructure）、IZEST（International centerforZetta-Exawatt Science and Technology）等拍瓦（PetaWatt, PW）級激光裝置的建立，

2、使得激光聚焦強度達到1024~26W/cm2。如此強的激光與物質(zhì)相互作用將進入高度非線性、近 QED(near-quantum electrodynamics）范疇，使得重離子加速、高能輻射源、強場天體物理和QED效應(yīng)等研究成為了可能。在極強激光物質(zhì)相互作用中，粒子的運動特性將被極大的修正，如在近QED機制中電子受到的輻射阻尼力將顯著地影響其運動行為，電子做非線性振蕩輻射出高能γ光子，光和光作用產(chǎn)生正負電子對等。本文旨在研究近QED范疇

3、中超強激光與等離子體相互作用，特別關(guān)注電子的運動特性、高能γ光子及正負電子對產(chǎn)生等輻射效應(yīng)，具體內(nèi)容如下：
　　一、超強激光等離子體相互作用中，帶電粒子受到的輻射阻尼力與有質(zhì)動力相當(dāng)，粒子的運動特性將被極大地修正。我們提出超強激光與充滿近臨界密度（Near-Critical-Density, NCD）等離子體錐靶相互作用來研究極端相對論電子的動力學(xué)及其輻射效應(yīng)。通過QED-PIC模擬程序EPOCH模擬研究發(fā)現(xiàn)，由于受到強輻射阻尼力

4、的作用，電子沒有被激光場的有質(zhì)動力排開，反而被捕獲在激光場內(nèi)做相對論振蕩，同時向前輻射出高能γ光子。此機制極大的降低了電子發(fā)生輻射捕獲所需要的激光強度閾值，增強了電子的捕獲效應(yīng)及高能γ光子的產(chǎn)額，有望在當(dāng)前實驗室可達到的激光條件下進行實驗驗證，使得輻射阻尼效應(yīng)及強γ輻射源的研究成為可能。
　　二、提出了一種可獲得超亮、高能量密度γ光源的新機制。該機制利用超強激光與充滿NCD等離子體的錐-毛細管靶作用來產(chǎn)生γ光。模擬得到能量在3~3

5、0MeV間的γ光子流總數(shù)約為1013/shot，峰值亮度可達1023photons/s/mm2/mrad2/0.1％BW，對應(yīng)的平均能量密度達到1017J/m3，是高能量密度物理（HEDP）臨界值（1011J/m3）的106倍。這種基于激光等離子體相互作用來產(chǎn)生的高能γ輻射光源相比傳統(tǒng)的同步輻射源方案有著諸多的優(yōu)勢：費用低、尺寸小、脈沖周期短（fs量級）、總數(shù)多和亮度高等，有望在實驗室天體物理、強場核物理、HEDP等方面的研究中得到應(yīng)用

6、。
　　三、通過高能γ光子與聚焦強激光場作用的Breit-Wheeler（BW）過程，提出了一種極端高密高能正電子產(chǎn)生的新機制。研究發(fā)現(xiàn)，雙束超強激光輻照充滿NCD等離子體的雙錐靶，由于錐的箍縮聚焦等作用，在NCD等離子體錐中的激光場聚焦可達原電場強度的5倍以上，受輻射效應(yīng)的捕獲電子在激光場內(nèi)做相對論振蕩，在軸向上輻射出高能稠密的γ光子，輻射的高能高密γ光子與聚焦的極強激光場作用激發(fā)高能高密的正電子產(chǎn)生。模擬表明，該機制可產(chǎn)生密度