双束激光与固体靶相互作用中稠密正电子产生模拟研究

摘要

自20世纪30年代正电子被预言和发现以来，有关正电子的理论和实验研究便一直广受关注，正电子可应用于癌症治疗、医学成像等方面，稠密的正负电子对甚至与某些天体现象相关，但是通过传统方法获得的正电子束造价高、束流品质较差，难以满足前沿基础研究和应用的需求，因此探寻新的方式来开展正电子产生的研究具有非常重要的应用前景和科学意义。随着超短超强激光技术的不断发展，激光与物质的相互作用可实现带电粒子的加速、粒子源和辐射源的产生等，利用被加速的电子在激光场或原子核库伦场中继续作用，可以获得高能的正负电子对，因此利用超短超强激光与等离子体相互作用为产生更高束流特性的正电子源提供了新的机遇。 目前通过强激光与等离子体相互作用产生正负电子对主要包括三个机制：Trident机制、Bethe-Heitler(BH)机制以及多光子Breit-Wheeler(BW)机制，在10PW(Petawatt)量级的强激光与等离子体相互作用中主要由多光子BW机制主导正负电子对产生。为了更好地开展正电子源产生、正电子加速及与QED效应相关物理机制的探索研究，本论文选择了双束激光与薄靶对撞的模型研究10PW量级激光与等离子体的相互作用，通过理论分析和粒子模拟，我们对多维激光场下的光子辐射和正负电子对产生展开研究，特别关注与正电子产生有关的QED效应发展机制。 首先，研究超短超强激光与不同电子密度固体靶相互作用中的激光能量吸收情况，并通过分析固体靶和不同频率激光相互作用的结果，获得相对论穿透机制加强正负电子对产生的原理和效果，得到了能优化正负电子对产生的靶密度区间，比如正电子密度最高可达10nc。这些结果将对未来获取正负电子对产量优化的实验设计很有帮助。 其次，研究正负电子对产生过程中的动力学特征。二维PIC模拟研究发现激光等离子体相互作用处于相对论穿透机制中时，由驻波场和辐射阻尼效应共同作用，正负电子对的平均能量在相互作用中期会发生周期性振荡，其空间分布也呈现出被激光场周期捕获的状态。此外，通过对比不同偏振激光的模拟，并讨论了激光偏振和驻波场对于粒子角分布的影响。 最后，分析光子和正负电子对产生随着激光强度变化的情况。激光较弱时只能由靶电子产生光子，而随着激光强度的逐渐增强，产生的正负电子对可以再产生光子，称为发生QED级联。粒子模拟研究发现当激光强度超过1.1×1024W/cm2时发生QED级联饱和，通过分析粒子数随激光强度的演化，推导了级联增长和激光强度之间的定标关系。研究还发现，由于QED级联饱和效应，从某时刻开始正负电子对不再被捕获在驻波场波节处，而是被有质动力沿纵向挤压并在激光极化平面形成相对论稠密正负电子对喷流。 本研究工作为未来实验室搭建10PW激光与物质相互作用产生正负电子对提供了理论指导，并丰富了激光等离子体相互作用中对QED效应的研究。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 基本理论与研究方法

2.1 激光与等离子体相互作用的基本概念

2.1.1等离子体的概念

2.1.2 电磁波在等离子体中的传输

2.2 激光与等离子体相互作用中的动力学效应

2.2.1 打洞效应

2.2.2 非线性QED效应

2.2.3 辐射阻尼效应

2.3 激光与等离子体相互作用的研究方法

2.3.1 等离子体粒子模拟

2.3.2 EPOCH简介

2.4 本章小结

第三章 激光的相对论穿透效应对正电子产生的影响

3.1 引言

3.2 双束激光与固体薄靶对撞模型的构建

3.3 二维粒子模拟结果与分析

3.3.1 等离子体密度的影响

3.3.2 激光频率的影响

3.4 本章小结

第四章 双束激光与固体靶对撞中正负电子对动力学的研究

4.1 引言

4.2 模拟参数选择

4.3 二维模拟结果与分析

4.3.1 粒子产额与能量

4.3.1 粒子空间分布

4.3.3 粒子角分布

4.4 本章小结

第五章 QED级联饱和效应的研究

5.1 引言

5.2 模拟参数选择

5.3 模拟结果与分析

5.3.1 QED级联增长效率定标

5.3.2 正负电子对等离子体挤压效应和喷流的形成

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间的科研成果

致谢