近QED强度激光场中电子运动及辐射特性的研究

摘要

激光与物质相互作用是物理学中一直倍受关注与研究的核心问题之一。近年来，随着激光技术的迅速发展，实验室可获得聚焦强度超过1022W/cm2、脉宽短至几飞秒（fs）的超强超短激光脉冲。并有望通过ELI（ExtremeLight Infrastructure）、IZEST（International centerforZetta-Exawatt Science and Technology）等拍瓦（PetaWatt, PW）级激光装置的建立，使得激光聚焦强度达到1024~26W/cm2。如此强的激光与物质相互作用将进入高度非线性、近 QED(near-quantum electrodynamics）范畴，使得重离子加速、高能辐射源、强场天体物理和QED效应等研究成为了可能。在极强激光物质相互作用中，粒子的运动特性将被极大的修正，如在近QED机制中电子受到的辐射阻尼力将显著地影响其运动行为，电子做非线性振荡辐射出高能γ光子，光和光作用产生正负电子对等。本文旨在研究近QED范畴中超强激光与等离子体相互作用，特别关注电子的运动特性、高能γ光子及正负电子对产生等辐射效应，具体内容如下：
　　一、超强激光等离子体相互作用中，带电粒子受到的辐射阻尼力与有质动力相当，粒子的运动特性将被极大地修正。我们提出超强激光与充满近临界密度（Near-Critical-Density, NCD）等离子体锥靶相互作用来研究极端相对论电子的动力学及其辐射效应。通过QED-PIC模拟程序EPOCH模拟研究发现，由于受到强辐射阻尼力的作用，电子没有被激光场的有质动力排开，反而被捕获在激光场内做相对论振荡，同时向前辐射出高能γ光子。此机制极大的降低了电子发生辐射捕获所需要的激光强度阈值，增强了电子的捕获效应及高能γ光子的产额，有望在当前实验室可达到的激光条件下进行实验验证，使得辐射阻尼效应及强γ辐射源的研究成为可能。
　　二、提出了一种可获得超亮、高能量密度γ光源的新机制。该机制利用超强激光与充满NCD等离子体的锥-毛细管靶作用来产生γ光。模拟得到能量在3~30MeV间的γ光子流总数约为1013/shot，峰值亮度可达1023photons/s/mm2/mrad2/0.1％BW，对应的平均能量密度达到1017J/m3，是高能量密度物理（HEDP）临界值（1011J/m3）的106倍。这种基于激光等离子体相互作用来产生的高能γ辐射光源相比传统的同步辐射源方案有着诸多的优势：费用低、尺寸小、脉冲周期短（fs量级）、总数多和亮度高等，有望在实验室天体物理、强场核物理、HEDP等方面的研究中得到应用。
　　三、通过高能γ光子与聚焦强激光场作用的Breit-Wheeler（BW）过程，提出了一种极端高密高能正电子产生的新机制。研究发现，双束超强激光辐照充满NCD等离子体的双锥靶，由于锥的箍缩聚焦等作用，在NCD等离子体锥中的激光场聚焦可达原电场强度的5倍以上，受辐射效应的捕获电子在激光场内做相对论振荡，在轴向上辐射出高能稠密的γ光子，辐射的高能高密γ光子与聚焦的极强激光场作用激发高能高密的正电子产生。模拟表明，该机制可产生密度达几十nc、能量高达GeV的高能高密的正电子束，其需要的驱动激光强度相比较真空中自发产生正负电子对所需Schwinger场对应的激光临界强度降低了7个数量级。此机制基于当前实验可接近的激光条件，模拟得到了极端高密高能的正电子束，有望为实验室探索高能天体物理等研究提供一种可能的正电子源。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 超强激光等离子体物理概述

1.3 超强激光场中电子的动力学效应

1.4 正负电子对的产生

1.5 本章小结

第二章 近QED机制中电子的辐射捕获效应

2.1 引言

2.2 电子的辐射捕获效应

2.3 参数对比与分析

2.4 本章小结

第三章 超亮高能量密度γ光子产生的研究

3.1 引言

3.2 二维粒子模拟结果与分析

3.3 三维粒子模拟结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 极端稠密高能正电子的产生

4.1 引言

4.2 正电子产生机理与解析

4.3 三维模拟结果与分析

4.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录 部分彩图