(等离子体物理专业优秀论文)带电粒子在强激光和强磁场中的共振加速机制..
中文摘要本论文围绕惯性约束聚变ICF中"快点火"方案的关键问题--超强激光与等离子体相互作用产生的近亿高斯磁场，对点火电子的加速和准直效应，采用了试验电子模型，从解析和数值两方面进行了分析，得到电子在强激光和强磁场中的共振加速机制， 发现由圆偏振激光所产生的轴向自生磁场，可以帮助激发能量适中、准直好的点火电子， 而采用线偏振激光作驱动源则无此现象发生，这是因为线偏振激光不能激发轴向自生 磁场。
此外，强磁场与高频电磁波可以形成带电粒子的共振加速机制，它有可能直接应用在脉冲星表面，因为那里有强轴向磁场以及由各种能隙结构引起的高频电磁辐射和 相对数目的电子。
数值模拟表明，由这种机制产生的高能电子所发出的辐射是连续谱的同步加速辐射，这正是天文观测所观测到的。
在第一章，简单介绍了传统惯性约束聚变和"快点火"方案，指出了"快点火"方案的优点以及实现"快点火"方案的关键问题，为本课题的开展提供了依据。
"快点火"方案的关键问题是激光等离子体相互作用中的物理问题， 因此我们围绕"快点火"方案，对国内外激光等离子体相互作用的研究现状做了介绍，特别介绍了超短、超强激光 与物质相互作用的物理现象。
本章中主要介绍了等离子体通道的形成及演化;点火脉冲 在通道中的传播;相对论通道中的电子加速的机制;等离子体通道中的自生磁场及高能 粒子的产生等前沿问题。
在第二章，回顾了激光等离子体相互作用中产生的自生磁场。
简单介绍了长脉冲激光及超短超强激光与等离子体相互作用自生磁场的产生机制及研究现状，介绍了非相对 论情况和相对论情况下，等离子体波一粒子相互作用的动力学方程和自生磁场效应。
本章 对圆偏振激光、自生的环形磁场和轴向磁场做了形状和数贯级的估计，给出了电子分别 在激光场、激光场和环形磁场、激光场和轴向磁场、激光场和环形磁场及轴向磁场作用 下的运动轨迹。
本章指出，由圆偏振激光和其产生的自生磁场有利于电子的准直，即有利于"快点火"方案的实现，从而为后续工作提供了依据。
此项研究论文，正式发表在第11届国际等离子体物理大会论文集。
在第三章，给出电子在强激光和强磁场中的共振加速机制，这是本论文的创新点a 此机制指出，强激光场中的电子加速不仅依赖激光的有质动力加速，而且依赖于激光频率与经典拉莫尔频率的比值，当比值为1时，将会出现电子能量的极大值，此处为共振峰。
在远离共振峰的地方，强磁场仍然对电子的运动起着关键作用。
由圆偏振激光产生的轴向自生磁场，正处于这个位置，这使电子的能量远低于由于有质动力引起的超热电子能量，而保证了很好的方向性，这正是我们所期待的点火电子，而线偏振激光则没有这种效果。
本章还介绍了目前等离子体的主要研究方法:单粒子轨道描述、流体力学描述、符 拉索夫方程和福克一普朗克方程描述、粒子模拟的研究特点、适用范围，重点介绍了本 论文主要模型一试验粒子模型的优点和缺点。
为了弄清轴向自生磁场对激光场中电子的加速与准直，首先对轴向自生磁场的理论和实验研究进行了回顾，并介绍了几种常见 的电子加速机制。
特别强调了有质动力加速，介绍了单电子形式下有质动力的表达式和 流体力学形式下的表达式的联系和区别。
之后，从解析和数值两方面给出了电子在强激光和强自生磁场中的能量随时间的演化图，两者符合得很好。
特别强调由这种机制产生的电子，比分别由激光场和由激光场及准静态电场产生的超热电子，能量适中且准直 性好。
这类热电子有利于一陕点火"方案的实现，此项研究结果，正式发表在PHYSICAL REVIEWE 69，066409(2004)。
在第四章， 我们试图在天文中找到电子在强激光和强磁场中的共振加速机制的应用，因为在此机制的共振峰附近，电子在极短的时间内(一两个波长)就会被加速到极高的能量，形成高能粒子喷发，在天体物理环境中，特别有可能出现强轴向磁场和高频电磁波的天体之一是脉冲星。
本章围绕脉冲星的发现、观测，介绍了"哈勃"太空望远镜、 超新星爆发及其遗迹、星系中的磁场等天文现象，对实验室天体物理学，实验室等离子体与天体等离子体的对应关系和标度关系、实验室所实现的极端物理实验与天体现象的联系做了介绍，.最后，根据观测所提供的天体等离子体参数，给出了带电粒子在强电磁波和强磁场中的共振加速机铡的数值结果，同时指出，在这种加速机制作用下的高能 电子发出同步加速辐射，与天文观测相符合。
在第五章，研究了电子在线偏振激光场和强环形自生磁场中的运动，对高能电子依赖激光偏振方向的现象做了数值分析。
指出，由于强磁场的出现，改交了激光有质动力 对电子的加速，电子在强激光和强磁场中的共振加速机制可以局部地发生，从而在环形 磁场峰值处，出现对激光偏振方向依赖的高能电子，并分析了以往在实验和三维粒子模拟中，电子所表现出对激光偏振方向的依赖迹象。
VI 知识水坝 tLMRA机制及在实验天体物理中的应用》 中文摘要在第六章，分析了高阶非线性薛定谔方程(含五次方)，在考虑了三体相互作用引起的高阶效应的激光等离子体系统的孤立波和周期波的严格解析结果。
在第七章，给出我们的讨论和结论及论文后续研究建议。
概括起来讲，本论文包括两方面的内容，一是对电子在强激光和强磁场中的共振加速机制作了数值和解析工作，二是找到了两个应用，其一是"快点火"方案中，如果使用圆偏振光做点火激光，产生的强轴向自生磁场能使激光场中的快电子能量降低且方向性好，此研究对"快点火"模型至关重要:其二是解释脉冲星表面连续的高能粒子喷发，很可能有电子在强电磁波和强磁场中的共振加速机制的贡献，因为那里有强轴向 磁场和高频电磁波，由这种机制产生的高能电子所发出的辐射是连续谱的同步加速辐射，此研究对理解高能电子喷发很有帮助。
关键词;惯性约束核聚变(ICF):快点火模型:相对论光强:超热电子:电子对激光偏 振方向的依赖:电子加速机制:有质动力:强磁场:自生磁场:激光等离子体相互作用:实验天体物理:超超新星遗迹:脉冲星:同步加速辐射:高阶非线性薛定谔方程 (含五次方):周期波解:孤立波解 VIl 知识水坝 AbstractLaser plasma interactionhas long beena fascinating subfield ofplasma physics。
日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
午年譬月2。
日签字日期:埘年P月勿日 感谢 当我提笔撰写这篇论文时，我才发现这扬扬洒洒的内容来源于我的导师贺贤土院士四年来严肃认真的指导 贺先生学识渊博、博大精深，我感谢他带我走过了人生的三重境界。
i.作为国内外知名学者。
他 欣然接受我--一个普通的高校教师，作为他的博士研究生，满足了我在2000年考取博士研究生的人生。
愿望;2.在等离子体这一富有挑战性的领域里，他为我选择了与强磁场有关的课题，致使我涉足于物理学和天文学两个领域，并使我体会到发现的快乐:3.在择业方面，他耐心引导，将李政道先生赠与他的 <<科学与艺术>>展现在我面前，使我眼前一亮，最终理解了"科学"并悟出了我将讲授的<<自然科学与人类文明>>这门课的含义。
我觉得能跟随这样一位博士导师，是我一生中的幸事。
我曾为此深深地感触 过，在他患病不起时，我为他四处寻医问药，一份浓浓的师生情，就这样伴随着四年来清苦的学生生涯 匆匆而过，令我回昧无穷。
我特别感谢陈式刚院士。
他给了我很大的帮助，陈先生恬静典雅、洞察秋毫，其深邃大度同样令我敬畏。
在他那里有看不完的风景，人送外号"问不倒"，与陈先生结下的深厚友情，使我受益终身。
我感谢新纽威尔士大学HeinrichHora教授、上海交通大学楼森岳教授、日本大阪大学西原功修教授、 北京大学欧阳颀教授、北京应用物理与计算数学研究所陈雅琛及中科院盛政明教授的师生友情，同时也 感谢我的硕士导师，北京师范大学胡岗教授及黄祖洽院士对我潜移默化的影响。
感谢所有和我讨论过问题的人，他们是:彭桓武、于敏院士等，常铁强、张家泰、张维岩、朱少平、 傅立斌、许海波、范文斌、李玉同等副研究员，刘占军，窦玉焕、陈少英、乔宾、谭长宜、蔡洪波、董全力、武慧春、王新刚、胡凯、曹周健、马燕云等同学。
特别感谢在我实现博士目标的道路上，给予我 大力支持的杭旭登博士，以及研究生部和物资学院的领导和老师。
这篇论文提笔于抗击"非典"的日日夜夜，在那些不眠之夜.我奋笔疾书，以此献给抗击"非典"的医务人员和患者，向他们表示最真诚的敬意和关心。
"勤能补拙"，我愿以此论文献给我的导师--贺 贤土先生，以及我的父母、我的爱人、女儿和学生们，没有他们的关心和鼓励，完成这篇博士论文是不可想像的。
再次感谢为此付出艰辛劳动的所有人!
作者: 二000级博士生刘红 中国工程物理研究院研究生部 2004年6月12日 (LMRA机制厦在实验天体物理中的应用》 第一章绪论 随着1990年哈勃太空望远镜的升空，人类对宇宙的认识进入了新阶段。
本论文就是围绕着实验室和天体物理中的极端物理现象一超强磁场(亿高斯量级)的出现，如何影响带电粒子在高频电磁波中的运动，对电子在强激光和强磁场中的运动方程做了数值和解析分析两方面的工作。
得到了电子的共振加速(Laser-Magnetic Resonance Acceleration，LMRA)机制，并找到了两个应用，其一是在"快点火"方案中，由LMRA 机制所产生的超热电子，能量适中(<2Mv)且方向性好，以超强圆偏振激光场所产生的强轴向自生磁场降低了高能电子的能量并保证了准直的方向性:其二是解释脉冲星表面连续的高能带电粒子喷发现象，以超新星爆发的遗迹之一一蟹状星云为例，据判断 蟹状星云中的相对论电子，其辐射寿命约为20年。
但我们知道蟹状星云是公元1054年 超新星爆发(由中国元朝记载)的遗迹，至少已有900多年了，它内部的高能电子所发出的x射线应该早已消逝。
但观测表明，持续不断的高能粒子伴随着x射线喷发，其强度 经久不衰，后来人们观测到其中存在"高能加速器"--脉冲星在不断地发射着x射线， 我们设想，这很可能有电子在强电磁波和强磁场中的烟振加速(Electromagnetic MagneficFieldResonance Acceleration，EMRA)机制的贡献，因为脉冲星表面有极强的轴向磁场(10"G)和能隙放电引起的高、低频电磁波，而由EmRA机制产生的高能电子所 发射出的辐射，正是天文观测到的连续谱的同步加速辐射。
1对实验室所创造的极端物理条件的简介1960年Mamain等人成功研制了第一台红宝石激光器u，使人类真正进入了光的时代。
激光技术被称为是二十世纪的四项重大发明(原子能、激光、半导体及计算机)之一 由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性好和高亮度等特点，使得激光技术应用领域十分广泛，形成了许多新型学科。
回顾40多年来的发展，有以下几个里程碑式的技术突破，使得激光飞速发展。
1961 年出现了调Q技术(Q-Switching)3，随后几乎每年激光器的输出功率能增加~个数量级， 到上世纪60年代末和70年代初，锁模技术(Mode-locking)4被提出，开始了短脉冲时代， 这期间经过了20多年的发展， 先后经历了主动锁模沁h05、被动锁模6碰撞锁模 (cPM)1等技术.采用锁模技术后，可以将激光脉冲由原来的调Q技术所能产生的纳秒 (10母s)量级缩短到皿皮秒(10。
12s)量级。
到上世纪八十年代中期，由于晶体介质的非线性效应导致的自锁模(Self Modetocking)技术8和啁瞅脉冲放大技术(Chirped Pulseamplification)巩…
，使激光真正步入超短脉冲时代。
采用这种技术后，输出的激光脉 宽可以短到飞秒(10。
5 s)量级，脉冲功率可达太瓦(1022w)、拍瓦(1015w)。
这种激光系统不同于Nova(at LawrenceLivermoreNational LaboratoryUSA)，Omega fat University ofRochester，USA)和我国的"神光"等大型激光系统，它是真正可以在一个台面上可实现高功率激光输出的系统(Table-topSystem)，而单脉冲功率丝毫不低于上述大型激光 装置，表1.1列出了世界各国实验室主要的激光系统。
表.1.1世界各国大尺度激光系统 Count叶 System Laboratory Bearn Outputpower Energy/Wavelength number 11、~) USA NOVA LLNLLIVERMORE 10 100 120kJ/1064_Ilm 跳J1053上l四 70kJ/0.53"m OMEGA LLEURoCHESTER 60 30 30kJ/035雎m PHARoSl|I NRL 08kJ/0.53mRussia MISHEN Kurchatov IkJll弘mJaoan GEKKO.X ILE0saka 12 30 30kJll.064"m 20kJl0.53正'm 15kJ/0.35m UK VULCAN Rutherford-Appleton 3.63.6kJ门.064I'm 3kJ/0.53"m France PHEBUS LimeiI 2020kJ门.064"m 14kJ/0.53m China SHEN NLHPLP 6t1.064口mGUANGn 3KJ/0.35儿m 从采用调Q技术、锁模技术以至发展到现在的啁啾脉冲放大技术，单脉冲激光功率 增加了6个数量级.此后，脉冲激光输出功率一直停留在的Gw水平。
主要原因是由于 激光器增益介质损伤阂值低，当激光功率密度达到GWcm-2量级时，由于商功率激光在放大介质中产生的脉冲畸变和放大器元件的损伤，限制了输出能量的提高。
直到八十年代 由于CPh技术的发明，才使激光功率得以迅猛增加。
正是由于这种激光系统的独特优点， 开创了强场物理和超快现象研究的新天地"。
下表列出不同聚焦功率密度所对应的物理量，高功率激光束照射到靶物质时，激光的前沿(或称激光的预脉冲)与靶物质相互作用，导致激光能量被吸收，靶物质被加热、电离而产生等离子体，由于向真空膨胀， 越离开耙面密度越低，激光就是在这样一个密度很不均匀的等离子体中传播和被吸收 表1.2不同聚焦功率密度所对应的物理量聚焦功率密度 电场强度 磁场强度 光压 电磁能密度 (Wcm4) (V，cm) (Gau鹊) (Bar) (Jcm4) 1010 2.7X106 9.2x103 3.3 0.67 10'6 2.7109 9.2x106 3.3x106 6.7x105 1018 2.71010 9.2x107 3.3x108 6.7x101 1023 8.7x10。
2 等离子体从最一般的意义上讲，是含有足量的自由带电粒子，以致其动力学行为受 电磁力支配的一种物质形态。
与一般的多粒子体系(如中性气体)不同，等离子体是一个 呈现集体运动特性的带电粒子复杂系统，并且是高度非线性的。
激光技术的迅速发展， 为激光等离子体物理开辟了新的理论和实验研究领域。
1964年Basove，Krokhin"和我国著名科学家王淦昌先生14各自独立的提出了利用 DT(Deuterium-Tritium)混合物质进行激光核聚变的概念(LaserFusion)或惯性约束核聚 变(Ineaial ConfinementFusion，ICF)，同时也指出了，为获得高增益核聚变建造所需的短 脉冲激光系统在技术上是可能的。
在1968年，Basove等人坫探测到了激光辐照氘靶进行核聚变产生的中子，并由Floux确认了令人信服的数目16 1972年在美国LawrenceLivermoreNational Laboratory(LLNL)建立了世界上最大的激光核聚变研究中心，之后， 在LLNL工作的Nuckolls，在Nature上发表的激光脉冲直接辐照靶丸，产生球心内爆实现热核聚变这样的思想，随后开创了激光与物质相互作用的研究领域，有关激光脉冲与 物质相互作用研究的理论和实验迅速地发展，各个大国也相继建立了进行有关研究的实验驱动装置，比如美国LLNL的Nova，Janus，mgus，Shiva和UnversityofRochester 的Omega，以及日本univerS毋ofOsal(a的GeII和我国于1987年建造了神光I激 图16美国Omega激光装置的球形耙室光装置等。
但真正能在~般的实验室拥有研究激光与物质相互作用的条件，是在80年代中期的超短脉冲的产生和啁啾放大技术的创新而实现的台面的超强超短激光。
96年， 全面核禁试后，激光驱动的ICF成为各大国研究高温、高密度等离子体的重要手段。
众 所周知，ICF研究被称之为"五位一体'(激光器、理论、实验、诊断、制靶)的综合性 工程。
啁啾脉冲放大技术开创了不损伤放大介质和任何光学元件就能产生的高能量、短 脉冲激光的新途径，将啁啾脉冲放大技术和宽带增益放大介质结合可以产生太瓦级H珈 和大于1拍瓦的激光系统21，聚焦功率密度22己达1020wcm.2，这种超短脉冲激光聚焦 后可以产生大于任何原子内电场的超强电场， 而且可以产生大于10"bar的超高压和 104T的超强磁场，可以产生温度高达109K的黑体辐射温度。
任何介质在如此高的强场 作用下均被离化为等离子体，微扰论不再起作用，而电子在这样的强场中的振荡速度接近光速。
在这样高的强度下，电子的运动表现为相对论运动并且是非线性的，激光等离子体相互作用物理和数值模拟随着激光技术、激光聚变、x光激光的发展而不断丰富并 形成新兴的强场物理学科23。
由图可以看出，由于CPA技术的发明激光功率密度迅猛增长， 此时激光与物质相互作用发展到原子物理领域2"". (LMRA机制及在实验天体物理中的应用，第一章绪论 图1.7激光功率密度以及相应研究领域随时间的变化目前人们所能达到的功率密度已超过了1021Wcm~。
在如此强的光场作用下强场物理已经由等离子体领域进入到相对论光学领域33-4'}。
预计随着激光功率密度的进一步提高，强场物理将会进入到更为激动人心的领域，下面简单介绍强场物理几个不同发展阶段的研究特点。
对于原予外壳层中的电子，激光的电场力要大于原子核的束缚力，在这一强度 领域内，激光脉冲在等离子体中的经历的动力学过程是与在初始为中性气体的情况相同，另一方面，在这样功率密度下，原子的激发与离化过程发生了巨大变化，伴随有高 次(可达150)谐波相干辐射的产生，已观察到81lnm辐射的109次谐波，以及1053nm 辐射的141次谐波，见图1.8。
图1.81052nm强辐射与氮相互作用后产生的谐波谱其次，在激光功率密度超过10"~10"Waml时，朗谬等离子体波的激发变得极为重要，它影响着激光脉冲在等离子体中的传播。
激光脉冲动力学是高度非线性的，包括等离子体通道的形成以及激光脉冲的相对论自导引和相对论自共振调制。
这种方式还激发出高达100GV的轴向电场。
进一步当激光功率密度为10"Waml时，电子在激光场中的抖动速度达到相对论水平，这个阶段属于强场前沿问题，本论文是以此为背景展开研究的。
、』'OJ是玻尔半径，公式(1.1)所对应激光脉冲的强度: J一:篮:3.41016Wcm'2 (1.4) 在这样的激光强度下，核外电子很容易被剥离，原子和团簇在激光场中电离有三种方式:1)多光子电离钔(MPI)，2)阈上电离42(ATI)，3)完全剥离(over thebarrier 图1.9原子和团簇在激光场中电离示意图上述示意图显示三种可能的电离机制。
由于激光极强的脉冲强度，使得强激光与等离子相互作用，表现出许多新现象， 激光脉冲能够在高密度等离子体中传播，并且产生亿高斯的准静态自生磁场，理论分析 和数值模拟结果都揭示，具有相当一部分的相对论电子随激光脉冲传播。
由于超过3个 Gbar的辐射压激光脉冲，具有打孔效应，同时在这样的激光功率密度下激光与等离子体 相互作用出现了109K的黑体辐射温度等一系列实验室极端物理条件，故超强激光为人们研究一些极端现象的物理机制，如超新星爆发43提供了可行的实验平台。
2)正如人们所知，长脉冲激光等离子体实验中，由于等离子体的演化，使得与激光与 等离子体作用状况(如密度轮廓(梯度)、温度等参数)时刻不同，物理机制非常复杂， 很难将激光与等离子体相互作用的各种机制区分开来。
但在飞秒或亚皮秒的脉冲宽度 内，等离子体的流体力学效应所带来的影响很小，一方面，激光直接与固体靶相互作用 产生的等离子体膨胀十分微小，其密度标尺长度甚至可以远小于激光波长。
这样，激光 就是直接和固体密度的等离子体作用，这是在长脉冲激光等离子体实验中所没有的。
另一方面，超短脉冲激光与已形成的(预)等离子体相互作用过程中，等离子体的(密度) 形状演化也可以忽略，过程中的物理机制几乎完全取决于可控制的激光参数及等离子体的初始状态，这使得人们可以通过控制这些参数分别研究相互作用过程中的物理机制。
3)利用飞秒脉冲"短"的特点，可以采用泵浦探测的方式，将长脉冲与等离子体相互作用现象在不同的时刻"照相"，以期获得整个过程的特点。
这个方法已经被应用到各个领域。
4)利用超强、超短的脉冲，可以产生能量单一，脉宽很小的高能电子 束"。
这为人们发展新型的电子显微镜提供了一个优秀的电子源46。
目前，强场物理的发展已超越物理学的范围，向其它自然科学的研究领域渗透。
超 快化学、生化反应动力学、飞秒生物学、超快x射线衍射学、超快x射线光谱学、超快 激光医学、物质微加工等一大批新方向、新领域正在形成，许多新的方向有待进一步研究。
强场物理研究与其它物理学科一样有如下三种研究方法:1)实验研究，一方面， 10 对强场物理有关问题直接进行实验研究以及在实验当中发现新的物理现象;另一方面，寻求理论预言的结果，主要方法是靠诊断，即探测超强超短激光与物质相互作用产生的等离子体的状态、产生的各种高能粒子以及发射谱线等。
2)理论研究，经典的微扰 理论已不再适用于强场物理这一新的学科，高度非线性和非稳态是强场的特点，需要建立新的理论。
对实验中可能发生的现象进行可能性估计，给出探测 的量级范围。
对实验结果进行分析，给出可能的机制，在已有实验数据的基础上，加强 分析对比，进一步完善理论、修正理论模型。
指导更精细的实验研究。
3)计算机模拟 和仿真研究，根据已知定律和基本方程及可靠参数，编制计算机程序，对实验结果进行 再现和延伸，也就是在计算机上进行实验，这种实验便于把某些分立过程研究清楚，其中粒子模拟方法(particle incell simulations，PIC)和磁流体力学模拟方法是超强激光等离子体相互作用的基本的数值模拟方法，如下图所示 图1。
11等离子体数值研究方法分类框幽 这三种研究方法紧密结合，互为补充，相互促进使强场物理这门崭新的学科取得不断的进展。
在以下的篇幅里，我们将集中介绍一下近几年里，与我们的研究方向密切相关的一些新进展。
对于很多与我们所做的工作有密切联系的内容，我们在绪论中只简单介绍一下，留待在后续章节中较详细地阐述。
1.3惯性约束核聚变现状与展望强相对论效应和强有质动力是超强超短激光和靶的相互作用的明显特征，能够在局部区域创造极端的物理条件，产生不平常的物理现象，例如高能电子束(MeV.百Mev)、 超强缓变磁场(亿高斯级)、离子束(MeV)，能以多种方式引发热核反应，产生热核中子。
因此研究极端条件下的物理现象，可以开辟很多新的应用领域，包括ICF。
下面介绍一下ICF的概念及中心点火和快点火模型47。
(等离子体物理专业优秀论文)带电粒子在强激光和强磁场中的共振加速机制及其在实验天体物理中的应用系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。