量子电动力学—粒子模拟极端等离子体动力学研究（英文）

新一代拍瓦激光装置有望将激光强度提升至10~(23)~10~(24)W·cm~(-2),在此极端强场条件下非线性量子电动力学效应对等离子体动力学过程产生重要影响.相对论电子在强电磁场作用下会同步辐射大量伽马光子,当后者穿过超强电磁场时会级联产生正负电子对.与此同时,这些量子电动力学效应也会反作用于激光等离子体相互作用过程,如辐射阻尼严重影响电子运动过程.为了研究这样极端的等离子体动力学,我们介绍最近几年发展的量子电动力学数值模拟模块,并将其耦合到传统的粒子模拟程序中,即量子电动力学-粒子模拟程序.由于大量新辐射的光子和产生的正负电子对会造成模拟粒子数目的不断增加,我们发展了粒子融合技术来减小模拟规模.利用此量子电动力学-粒子模拟程序,我们对极端强场激光物质相互作用以及极端天体物理现象开展了数值模拟研究.     

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.     

高强度激光与等离子体相互作用中的受激Raman级联散射、光子凝聚以及大振幅电磁孤立子的产生与加速

应用一维相对论电磁粒子模拟程序，详细研究了线性极化强激光入射到无碰撞稀疏密度长等离子体中引起的受激Raman散射、Raman级联散射、级联散射到光子凝聚、以及大振幅电磁孤立子的产生与加速. 通过研究发现：在适当的激光振幅和等离子体状态下，强的光子凝聚现象会导致大振幅电磁孤立子的产生，电磁孤立子可以以静止、向后以及向前加速的形式存在；在密度均匀的等离子体中，电磁孤立子的加速不仅依赖于激光振幅而且依赖于等离子体的长度；电磁孤立子的电磁频率大约为未扰动电子等离子体振荡频率的二分之一左右，孤立子内电磁场的电场具有半周期结构，相应电磁场的磁场以及静电场则具有一个完整的周期结构. 关键词： 粒子模拟 受激Raman散射 Raman级联散射 光子凝聚 电磁孤立子     

全光汤姆孙散射

随着激光和加速器技术的发展,激光场强度和粒子能量也有所提升,在高场强和高电子能量的条件下,电子与光子的汤姆孙散射过程将达到高度非线性状态,在这种状态下会发生多光子效应,即单个电子同时与多个光子相互作用并辐射一个高能光子,此过程通常称为多光子汤姆孙散射.当场强和粒子能量变得更高时,需要引入量子电动力学理论来解决极端光场物理中的动理学过程.近期,全球多台数拍瓦激光装置逐渐投入使用,激光等离子体相互作用中的此类效应会变得极其显著.而全光汤姆孙散射成为目前研究极端光场物理最佳的实验方案,因此,系统地研究全光多光子汤姆孙散射是本领域未来十年极其重要的方向.本文对近年来全光汤姆孙散射实验从单光子、低阶多光子到高阶多光子的研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望.另外,伴随着散射过程产生的准直高亮X/伽马射线,有望发展成为具有重要应用价值的紧凑型超亮高能光源.     

《强激光与粒子束》“超强激光激发的强场量子电动力学”专栏征稿启事

正征稿截止日期:2022年2月30日计划出版日期:2022年6月30日近年来,随着激光放大技术的发展,激光器的功率已接近百拍瓦,在这样高强度激光场中,经典电动力学无法正确地描述包括辐射在内的许多物理现象,而需要用强场量子电动力学(Strong Field Quantum Electrodynamics,QED)来描述和研究等离子体与激光相互作用中发生的基本物理过程。强场QED作为描述极端强度电磁场中电磁相互作用的量子理论,是在QED的基础上发展起来的。它预言在很高的电磁场强度下会出现大量新的物理现象,包括辐射中的高阶非线性效应和辐射阻尼效应、Schwinger对产生、真空极化、真空双折射效应、     

利用光核反应对激光等离子体中超热电子温度诊断的理论研究

超短超强激光与等离子体相互作用可以产生高能的超热电子, 利用光核反应的方法可以对这部分超热电子的温度进行诊断. 本文通过粒子输运程序(MCNP), 模拟了超热电子通过轫致辐射产生γ 光子, γ 光子再分别与⁶³Cu, ¹⁰⁷Ag, ¹²C等活化材料发生光核反应的物理模型, 并根据核素的活化截面数据, 计算了不同活化片的放射性活度, 得到了¹¹C/⁶²Cu, ¹¹C/¹⁰⁶Ag活度比与电子温度关系曲线, 采用理论模拟的方法实现了激光等离子体产生的超热电子的温度诊断. 关键词： 超热电子 轫致辐射光子 光核反应 MCNP程序     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

强流电子束碰撞电离背景气体研究

利用数值计算与粒子模拟两种方法,结合实际的实验数据,对高功率微波二极管中相对论电子束与背景气体相互作用碰撞产生的等离子体密度进行了研究.研究结果表明：碰撞产生的等离子体密度数值计算结果与粒子模拟结果基本一致,背景气压在0.01 Pa—0.05 Pa时,碰撞产生的等离子体密度在4—12×10⁹cm^-3,即便在考虑电子离子复合的情况下,数值计算结果与粒子模拟结果依然符合得很好.另外,粒子模拟结果表明：随着气压的增加,等离子体密度呈现先增大再减小然后又逐渐增大的过程, 关键词： 相对论电子束 等离子体 数值计算 粒子模拟     

超热电子在稠密等离子体中输运的混合粒子模拟方法

相对论激光等离子体相互作用以及所产生的带电粒子束在高密度等离子体中的输运行为非常重要.该物理问题的数值模拟研究仍面临技术挑战.本文介绍一种粒子/流体混合模拟方法.该方法中超热电子采用动力学方法描述,背景冷的稠密等离子体采用简化的流体方程描述,适合于超热电子密度远小于背景电子密度,超热电子能量远大于背景电子温度.我们的三维并行混合模拟程序HEETS的模拟结果表明：背景材料的电离和电阻率模型至关重要,将严重影响高能电子输运过程的模拟.     

冲击波在铝靶中传播的数值模拟研究

利用一维辐射流体力学数值模拟程序对激光驱动的冲击波在平面铝靶中传播的实验结果进行了模拟研究.分析了空间单元层的厚度对模拟结果的影响,给出了最佳单元层厚度.通过将数值模拟与实验结果相比较给出了实验中两种激光光强的实际的吸收系数.结果显示,波长为1.053μm,强度分别为0.81×10¹⁴和1.65×10¹⁴W/cm²的激光驱动的冲击波在铝靶中传播速度分别为16.52,18.56μm/ns,冲击波的峰值压力分别为0.386和0.537TPa,这些模拟结果与实验结果是一致的 关键词： 冲击波 辐射流体力学 激光等离子体     

Dense pair plasma generation by two laser pulses colliding in a cylinder channel

An all-optical scheme for high-density pair plasmas generation is proposed by two laser pulses colliding in a cylinder channel. Two dimensional particle-in-cell simulations show that, when the first laser pulse propagates in the cylinder,electrons are extracted out of the cylinder inner wall and accelerated to high energies. These energetic electrons later run into the second counter-propagating laser pulse, radiating a large amount of high-energy gamma photons via the Compton back-scattering process. The emitted gamma photons then collide with the second laser pulse to initiate the Breit–Wheeler process for pairs production. Due to the strong self-generated fields in the cylinder, positrons are confined in the channel to form dense pair plasmas. Totally, the maximum density of pair plasmas can be 4.60 × 10~(27)m~(-3), for lasers with an intensity of 4×10~(22)W·cm~(-2). Both the positron yield and density are tunable by changing the cylinder radius and the laser parameters. The generated dense pair plasmas can further facilitate investigations related to astrophysics and particle physics.     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

A cold thermionically emitting dusty air plasma formed by radiativeheating of graphite particulates

Formation of an atmospheric pressure dusty air plasma is explored experimentally in this paper. The plasma is created by seeding an air flow with graphite particles and irradiating the particulates with a focused CO₂ laser beam. The graphite particles are, thus, heated to thermionically emitting temperatures, and average particle temperatures and average particle number densities are measured. The presence of charges is inferred both from these measured quantities using a simple theoretical transient model, and experimentally by applying a dc bias across the irradiated region. It is found that an electron density of ~6.7 × 10⁵ cm^-3 (6.7 × 10¹¹ m^-3) can be produced at steady state in the presence of O₂. This value can be increased to 3.6 × 10⁷ cm^-3 (3.6 × 10¹³ m ^-1) in the ideal case where an electron attachment to O₂ is suppressed and where a lower work function particulate is used     

Ultrabright γ-ray emission from the interaction of an intense laser pulse with a near-critical-density plasma

An efficient scheme for generating ultrabright γ-rays from the interaction of an intense laser pulse with a near-critical-density plasma is studied by using the two-dimensional particle-in-cell simulation including quantum electrodynamic effects. We investigate the effects of target shape on γ-ray generation efficiency using three configurations of the solid foils attached behind the near-critical-density plasma: a flat foil without a channel (target 1), a flat foil with a channel (target 2), and a convex foil with a channel (target 3). When an intense laser propagates in a near-critical-density plasma, a large number of electrons are trapped and accelerated to GeV energy, and emit γ-rays via nonlinear betatron oscillation in the first stage. In the second stage, the accelerated electrons collide with the laser pulse reflected from the foil and emit high-energy, high-density γ-rays via nonlinear Compton scattering. The simulation results show that compared with the other two targets, target 3 affords better focusing of the laser field and electrons, which decreases the divergence angle of γ-photons. Consequently, denser and brighter γ-rays are emitted when target 3 is used. Specifically, a dense γ-ray pulse with a peak brightness of 4.6×10²⁶ photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW (at 100 MeV) and 1.8×10²³ photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW (at 2 GeV) are obtained at a laser intensity of 8.5×10²² W/cm² when the plasma density is equal to the critical plasma density n_c. In addition, for target 3, the effects of plasma channel length, foil curvature radius, laser polarization, and laser intensity on the γ-ray emission are discussed, and optimal values based on a series of simulations are proposed.     

电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究

针对等离子体隐身技术在航空航天领域的良好应用前景, 开展垂直入射到具有金属衬底的非磁化等离子体中电磁波衰减特性的理论与实验研究. 利用WKB方法对电磁波衰减随等离子体参数的变化规律进行了理论分析. 利用射频电感耦合放电方式产生稳定的大面积等离子体层, 搭建了等离子体反射率弓形测试系统, 进行了电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究. 利用微波相位法和光谱诊断法, 得到不同放电功率下的等离子体电子密度, 其范围为8.17×10⁹–7.61× 10¹⁰ cm^-3. 本实验获得的等离子体可以使2.7 GHz 和10.1 GHz电磁波分别得到一定的衰减, 且电磁波衰减的理论与实验结果符合较好. 结果表明, 提高等离子体电子密度和覆盖均匀性有利于增强等离子体对电磁波的衰减效果.     

超短超强激光脉冲辐照超薄碳膜电离状态研究

为了进一步理解极端条件下物质的电离特性, 特别是超短超强激光脉冲辐照超薄靶时等离子体的形成与分布, 本文以超薄碳膜为例, 细致研究了超短超强激光脉冲辐照下原子的离化过程. 分析和比较了强激光场直接作用电离和靶内静电场电离等两种场致电离形式, 在碰撞电离可以忽略的情况下, 发现更多的电离份额是来自靶内静电场的电离方式. 研究了激光脉冲强度对电离的影响, 发现激光脉冲强度越强, 电离速度越快, 产生的高价态离子所占比例也越高.当激光强度为1×10²⁰ W/cm²时, 尽管该强度高于电离生成C⁺⁶所需要的激光强度阈值, 但该激光脉冲并不能将整个靶电离成C⁺⁶离子, 对此本文进行了详细的分析. 在研究激光脉冲宽度的影响时, 发现激光脉宽越小, 电离速度越快, 但越小的激光脉冲电离获得的高价态离子越少.     

Self-consistent current motion of electrons and ions inhigh-current plasma channel

This paper analyses a self-consistent current motion of charged particles in high-current plasma channel. Application of the results obtained to real current channels is possible provided that pair collisions do not considerably affect the current motion of plasma charged particles and the depth of the current layer is small as compared to the channel radius. The approximation adopted in this paper can be considered to be true, for instance, in the case of hydrogen channels with millimeter radius and electron energy of the order of 10 keV provided that the plasma concentration in them is in the range of 10 ¹⁷ cm^-3e<10²⁰ cm^-3. In the present paper, advantage is taken of a kinetic plasma model with electrons and ions in the form of particle beams whose motion is governed by the resulting self-consistent electromagnetic field. It is shown that in a plasma with sufficiently high particle concentration, when the collisionless skin depth is small as compared to the channel radius, the ion motion results in the negative electron contribution to the total channel current. Moreover, the ion component of the current exceeds the total current. This is accompanied by high-speed plasma motion in the form of the electroneutral axial flux, whose direction coincides with that of the total channel current     

HL-2A װ�������ÿɼ����׶����·��������Ч���ӵ����

The multichannel bremsstrahlung measurement system on HL-2A tokamak has been using to observe the intensity of visible (535.1nm) bremsstrahlung radiation. Combined the intensity with plasma electron density and electron temperature, the effective ion charge measurements can be obtained on HL-2A tokamak. The 1×10¹⁹m⁻³ to4×10¹⁹m⁻³ experimental results show that when the plasma electron density increases from 1×10 m to 4×10 m , the effective ion charge number changes from 5 down to around 2. The bremsstrahlung radiation signal intensity is proportional to the quadratic plasma density. When the electron density is higher than 3×10¹⁹m⁻³, the multichannel bremsstrahlung measurement system can collect sufficient signal through the plasma, which enables the measurement of effective ion charge radial profile.     

S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×10~(10)-1.0×10~(13)cm~(-3)、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6—40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.     

激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法

超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学（QED）实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度,进而实现微米精度的准确对撞,是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法,系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程,重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现:辐射光子的空间分布信息,可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果,实验中可利用光子空间分布的信息,实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节,从而有望促进强场QED实验技术的发展。