Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом

Представлены результаты теоретических исследований процесса ускорения пробных электронов ленгмюровской волной, возбуждаемой лазерным импульсом, частота которого равна половине электронной плазменной частоте. Такой импульс проникает в плазму на глубину скин-слоя, эффективно возбуждает ленгмюровские к...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вопросы атомной науки и техники
Date:	2006
Main Authors:	Балакирев, В.А., Гавриленко, И.В., Карась, В.И., Толстолужский, А.П.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Subjects:	Новые методы ускорения
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81154
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом / В.А. Балакирев, И.В. Гавриленко, В.И. Карась, А.П. Толстолужский // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 180-184. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81154
record_format	dspace
spelling	Балакирев, В.А. Гавриленко, И.В. Карась, В.И. Толстолужский, А.П. 2015-05-11T19:00:25Z 2015-05-11T19:00:25Z 2006 Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом / В.А. Балакирев, И.В. Гавриленко, В.И. Карась, А.П. Толстолужский // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 180-184. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 52.75.Di https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81154 Представлены результаты теоретических исследований процесса ускорения пробных электронов ленгмюровской волной, возбуждаемой лазерным импульсом, частота которого равна половине электронной плазменной частоте. Такой импульс проникает в плазму на глубину скин-слоя, эффективно возбуждает ленгмюровские колебания, которые и ускоряют электроны. Показано, что наблюдается модуляция потока ускоренных электронов, причем начальный тепловой разброс ускоряемых частиц приводит к уширению сгустков, их перекрытию и на больших расстояниях к демодуляции сформировавшегося пучка ускоренных электронов. Представлені результати теоретичних досліджень процесу прискорення пробних електронів ленгмюрівською хвилею, збудженою лазерним імпульсом, частота якого дорівнює половині електронної плазмової частоти. Такий імпульс проникає в плазму на глибину скін-шару, ефективно збуджує ленгмюрівські коливання, котрі і прискорюють електрони. Показано, що спостерігається модуляція потоку прискорених електронів, причому початковий тепловий розбіг прискорених частинок приводить до розширення згустків, їх перекриття і на великих відстанях до демодуляції сформованого пучка прискорених електронів. The results of a theoretical study of a test electron acceleration with the help of langmuir wave excited by a short laser pulse with the frequency ω = ωp/2 (where ωp is the electron plasma frequency) are presented. Such pulse can penetrate into the plasma over a distance equal to the skin-depth and effective excites a Langmuir wave) that accelerate the electrons. It is shown that the accelerated electron flow modulation is observed therewith an accelerated particle initial thermal straggling tend to be bunches broadening, their overlapping and the accelerated electron formed beam demodulation. Работа частично финансово поддержана проектом ИНТАС № 01-233 и Государственным фондом фундаментальных исследований Украины по проекту 02.07/000213. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Новые методы ускорения Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом Electron acceleration with the help of langmuir oscillations excited by a short laser pulse in a semi-infinite dense plasma Прискорення електронів у напівобмеженій плазмі ленгмюрівськими коливаннями, збудженими лазерним імпульсом Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом
spellingShingle	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом Балакирев, В.А. Гавриленко, И.В. Карась, В.И. Толстолужский, А.П. Новые методы ускорения
title_short	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом
title_full	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом
title_fullStr	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом
title_full_unstemmed	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом
title_sort	ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом
author	Балакирев, В.А. Гавриленко, И.В. Карась, В.И. Толстолужский, А.П.
author_facet	Балакирев, В.А. Гавриленко, И.В. Карась, В.И. Толстолужский, А.П.
topic	Новые методы ускорения
topic_facet	Новые методы ускорения
publishDate	2006
language	Russian
container_title	Вопросы атомной науки и техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format	Article
title_alt	Electron acceleration with the help of langmuir oscillations excited by a short laser pulse in a semi-infinite dense plasma Прискорення електронів у напівобмеженій плазмі ленгмюрівськими коливаннями, збудженими лазерним імпульсом
description	Представлены результаты теоретических исследований процесса ускорения пробных электронов ленгмюровской волной, возбуждаемой лазерным импульсом, частота которого равна половине электронной плазменной частоте. Такой импульс проникает в плазму на глубину скин-слоя, эффективно возбуждает ленгмюровские колебания, которые и ускоряют электроны. Показано, что наблюдается модуляция потока ускоренных электронов, причем начальный тепловой разброс ускоряемых частиц приводит к уширению сгустков, их перекрытию и на больших расстояниях к демодуляции сформировавшегося пучка ускоренных электронов. Представлені результати теоретичних досліджень процесу прискорення пробних електронів ленгмюрівською хвилею, збудженою лазерним імпульсом, частота якого дорівнює половині електронної плазмової частоти. Такий імпульс проникає в плазму на глибину скін-шару, ефективно збуджує ленгмюрівські коливання, котрі і прискорюють електрони. Показано, що спостерігається модуляція потоку прискорених електронів, причому початковий тепловий розбіг прискорених частинок приводить до розширення згустків, їх перекриття і на великих відстанях до демодуляції сформованого пучка прискорених електронів. The results of a theoretical study of a test electron acceleration with the help of langmuir wave excited by a short laser pulse with the frequency ω = ωp/2 (where ωp is the electron plasma frequency) are presented. Such pulse can penetrate into the plasma over a distance equal to the skin-depth and effective excites a Langmuir wave) that accelerate the electrons. It is shown that the accelerated electron flow modulation is observed therewith an accelerated particle initial thermal straggling tend to be bunches broadening, their overlapping and the accelerated electron formed beam demodulation.
issn	1562-6016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81154
citation_txt	Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом / В.А. Балакирев, И.В. Гавриленко, В.И. Карась, А.П. Толстолужский // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 180-184. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT balakirevva uskorenieélektronovvpoluograničennoiplazmelengmûrovskimikolebaniâmivozbuždaemymilazernymimpulʹsom AT gavrilenkoiv uskorenieélektronovvpoluograničennoiplazmelengmûrovskimikolebaniâmivozbuždaemymilazernymimpulʹsom AT karasʹvi uskorenieélektronovvpoluograničennoiplazmelengmûrovskimikolebaniâmivozbuždaemymilazernymimpulʹsom AT tolstolužskiiap uskorenieélektronovvpoluograničennoiplazmelengmûrovskimikolebaniâmivozbuždaemymilazernymimpulʹsom AT balakirevva electronaccelerationwiththehelpoflangmuiroscillationsexcitedbyashortlaserpulseinasemiinfinitedenseplasma AT gavrilenkoiv electronaccelerationwiththehelpoflangmuiroscillationsexcitedbyashortlaserpulseinasemiinfinitedenseplasma AT karasʹvi electronaccelerationwiththehelpoflangmuiroscillationsexcitedbyashortlaserpulseinasemiinfinitedenseplasma AT tolstolužskiiap electronaccelerationwiththehelpoflangmuiroscillationsexcitedbyashortlaserpulseinasemiinfinitedenseplasma AT balakirevva priskorennâelektronívunapívobmeženíiplazmílengmûrívsʹkimikolivannâmizbudženimilazernimímpulʹsom AT gavrilenkoiv priskorennâelektronívunapívobmeženíiplazmílengmûrívsʹkimikolivannâmizbudženimilazernimímpulʹsom AT karasʹvi priskorennâelektronívunapívobmeženíiplazmílengmûrívsʹkimikolivannâmizbudženimilazernimímpulʹsom AT tolstolužskiiap priskorennâelektronívunapívobmeženíiplazmílengmûrívsʹkimikolivannâmizbudženimilazernimímpulʹsom
first_indexed	2025-11-25T23:26:43Z
last_indexed	2025-11-25T23:26:43Z
_version_	1850580553879781376
fulltext	УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛУОГРАНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЕ ЛЕНГМЮРОВСКИМИ КОЛЕБАНИЯМИ, ВОЗБУЖДАЕМЫМИ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ В.А. Балакирев, И.В. Гавриленко, В.И. Карась, А.П. Толстолужский Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт" Харьков, Украина E-mail: karas@kipt.kharkov.ua Представлены результаты теоретических исследований процесса ускорения пробных электронов ленгмю- ровской волной, возбуждаемой лазерным импульсом, частота которого равна половине электронной плазмен- ной частоте. Такой импульс проникает в плазму на глубину скин-слоя, эффективно возбуждает ленгмюровские колебания, которые и ускоряют электроны. Показано, что наблюдается модуляция потока ускоренных электро- нов, причем начальный тепловой разброс ускоряемых частиц приводит к уширению сгустков, их перекрытию и на больших расстояниях к демодуляции сформировавшегося пучка ускоренных электронов. PACS: 52.75.Di 1. В последние годы уделяется много внимания изучению лазерных методов ускорения заряженных частиц в плотной плазме (современное состояние этой проблемы можно увидеть из статей [1-8] и ци- тированной в них литературы). В целом ряде экспе- риментов [9,10] при высоких значениях ускоряю- щих полей (порядка 1 ГВ/см), возбуждаемых в плаз- ме с закритической плотностью коротким лазерным импульсом, наблюдались ускоренные электроны со сравнительно низкими энергиями (порядка 100 МэВ). Целью настоящей работы является попытка объяснения малых длин эффективного ускорения электронов accl в условиях, когда: на масштабах, су- щественно превышающих accl , плазма однородна; ленгмюровская волна эффективно возбуждается ла- зерным импульсом и не опрокидывается; имеются условия эффективного возбуждения второй гармо- ники лазерного излучения при значениях параметра ≥0a 1 ( em, − масса и заряд электрона, )/(00 ωmceAa = , ω,0A − максимальное значение электрического поля и несущая частота лазерного импульса), как это следует из полного численного моделирования (см. [11]). В предыдущей работе [12] было показано, что в одномерной полуограниченной плазме происходит возбуждение коротким лазер- ным импульсом пакета ленгмюровских волн, рас- пространяющегося вглубь плазмы со скоростью, близкой к тепловой скорости электронов плазмы. Данная работа посвящена изучению ускорения электронов в полуограниченной плазме с закритиче- ской плотностью пакетом ленгмюровских волн, воз- буждаемым коротким лазерным импульсом. Для ис- следования процесса ускорения были выбраны «пробные» частицы, обратное влияние которых на лазерный импульс и пакет ленгмюровских волн не учитывалось, т.е. рассмотрение выполнено в при- ближении заданного поля. При этом мы естественно получаем оценку сверху на энергию ускоренных ча- стиц. Исследовано влияние формы короткого лазер- ного импульса и теплового разброса «пробных» ча- стиц на динамику их ускорения. 2. Пусть из вакуума на полубесконечную однород- ную плазму с температурой электронов eT нормаль- но к её границе падает лазерный импульс. Несущая ча- стота ω лазерного импульса в два раза ниже элек- тронной плазменной частоты pω . Такой импульс про- никает в плазму на глубину pc ωλ 3/2= . Вторая гар- моника лазерного импульса, возбуждаемая из-за нели- нейности плазмы, будет иметь плазменную частоту и, следовательно, в скин-слое будет происходить резо- нансное возбуждение ленгмюровской волны, которая будет распространяться вглубь плазмы. В случае сле- дующего профиля интенсивности лазерного импульса ( )    ≥≤ ≤≤ = L LL LF τττ τττπ τ ττ ,0,0 0,/sin )/( , (1) выражение для продольного электрического поля ленгмюровской волны, распространяющейся в плаз- ме, имеет вид [12]: для Lττ ≤≤0 1 2 2( , ) ( ) ( )0 0 0 0 0 0 02 0 ( )0 0sin( )cos( )0 d d J e L ζτ ψ τ ς τ ζ θ τ ζ τ ζ τ τ α ζ ζ π τ τ τ = − − − ґт т − Ґ − − − − +ґ 1 2 2( ) ( )0 0 0 0 0 0 02 0 ( )0 0sin( ) cos( )0 , d d J e L τ τ ζ θ τ ζ τ ζ ζ τ τ α ζ ζ π τ τ τ Ґ + − −т т − − − −ґ (2') для Lττ ≥ _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.180-184.180 mailto:karas@kipt.kharkov.ua 1 2 2( ) ( )0 0 0 0 0 0 02 ( )0 0sin( )cos( )0 d d J L e L ζτ ψ τ ζ θ τ ζ τ ζ τ τ τ τ α ζ ζ π τ τ τ = − − − ґт т − − Ґ − − − −ґ + 1 2 2( ) ( )0 0 0 0 0 0 02 ( )0 0sin( )cos( )0 d d J L e L τ τ ζ θ τ ζ τ ζ τ τ ζ τ τ α ζ ζ π τ τ τ Ґ + − − ґт т − − − − −ґ (2") Здесь −= / EEψ безразмерное продольное элек- трическое поле, 2/2 03 amEE = , epmcmE /ω= , tpωτ = , Tvpz /ωζ = − безразмерные время и про- дольная координата, −Tv тепловая скорость элек- тронов, )2/(3 cvT=α , LpL tωτ = , Lt − длитель- ность лазерного импульса, −)(xθ единичная функ- ция Хевисайда, −)(0 xJ функция Бесселя. Процесс возбуждения и распространения ленгмю- ровской волны в плазме, описываемый соотношени- ем (2), был исследован численно, как и в работе [12] для следующих безразмерных параметров: ,12=Lτ 433.01 =α и 1083.02 =α , но для иной формы им- пульса интенсивности лазера (1). Для лазерного излу- чения с длиной волны λ=1.07 мкм указанным безраз- мерным параметрам соответствуют следующие зна- чения физических величин, характеризующих плаз- му: плотность плазмы 20105.4 ⋅=pn см-3, плазменная частота 151077.3 ⋅=pω с-1, температура электронов 321 =eT кэВ и 22 =eT кэВ. Заметим, что выбранные для численных расчетов значения температуры не являются принципиальными с физической точки зрения для нашего рассмотрения. Они позволяют лишь сократить время численного моделирования изучаемого процесса, не влияя на качественную кар- тину особенностей ускорения электронов. В работе [12] исследована ситуация для резкого переднего фронта лазерного импульса и представле- ны рисунки, иллюстрирующие процесс распростра- нения ленгмюровской волны в плазме для функции )/( LF ττ , описывающей форму импульса интенсив- ности лазерного импульса вида: ( )     ≥≤ ≤≤ = L LL LF τττ τττπ τ ττ ,0,0 0,2/cos )/( . Установлено, что как для резкого переднего фронта импульса, так и для плавного (см. Рис.1)) пространственная структура ленгмюровского возму- щения в плазме имеет вид осцилляций. Рис.1. Пространственно-временное распределение ленгмюровской волны, возбуждаемой коротким ла- зерным импульсом ( ,12=Lτ 433.01 =α ) Его фронт распространяется с тепловой скоростью электронов плазмы. Дисперсионное расплывание ленгмюровского возмущения приводит к уменьше- нию его максимальной амплитуды. В каждой точке пространства по мере прихода ленгмюровского вол- нового возмущения электрическое поле осциллиру- ет с плазменной частотой. 3. Рассмотрим процесс ускорения электронов ленгмюровским возмущением, распространяющим- ся в плазме и описываемом выражением (2). Будем решать задачу в следующей постановке. В началь- ный момент времени в области плазмы 0≥≥ ζζ p , где pζ выбрано равным 60, равномерно располага- лись от 3000 до 8000 “пробных“ частиц. Были рассмотрены как случай покоящихся в начальный момент времени частиц, так и случай частиц с нуле- вой направленной скоростью и максвелловским рас- пределением по скоростям с температурой, равной температуре плазмы Te1=32 кэВ или Te2=2 кэВ. Уравнения движения пробных частиц в электриче- ском поле ленгмюровского возмущения (2) имеют вид ),,(2 2 3 i i i d d ζτε ψ τ ζγ −= (3) где 2 2 1/ 2[1 ( / ) ]i T id dγ β ζ τ= − − релятивистский фак- тор, cvTT /=β , )2/(3 2 0 Ta βε = , −i номер проб- ной частицы, 1≥≥ iN , N − число пробных частиц. На Рис.2,а,б изображены траектории 300 проб- ных частиц, равномерно распределенных в началь- ный момент времени на интервале 060 0 ≥≥ iζ (где −0iζ начальные значения координат частиц) a _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.180-184.181 б в Рис.2. Траектории пробных электронов, ускоренных ленгмюровской волной, возбужденной коротким ла- зерным импульсом для резкого переднего фронта лазерного импульса и двух различных температур плазмы Te1=32 кэВ и Te2=2 кэВ. На Рис.2,в изображены траектории 300 пробных частиц (частицы в начальный момент вре- мени покоятся), равномерно распределенных на том же интервале 060 0 ≥≥ iζ для формы интенсивно- сти лазерного импульса (1) (плавные передний и задний фронты лазерного импульса и температуры плазмы Te1=32 кэВ. На Рис.2 хорошо видны сгуще- ния частиц, а также зарождение сгустка ускоренных частиц. Сравнение Рис.2,а,в показывает, что исполь- зование резкого фронта лазерного импульса приво- дит к существенному укорочению области формиро- вания первого сгустка ускоренных частиц. Уменьше- ние температуры плазмы (см. Рис.2,а,б) иллюстриру- ет кардинальное влияние на процесс ускорения ча- стиц снижения скорости распространения ленгмю- ровской волны и связанного с этим резкого роста максимальной амплитуды плазменной волны. Пер- вый сгусток формирует сравнительно небольшая группа частиц, расположенных в области 5.35.5 0 ≥≥ iζ . Задние частицы из этой области до- гоняют передние. В результате формируется уплотне- ние – сгусток частиц, который имеет энергию, суще- ственно превышающую тепловую, и выходит из об- ласти пакета, т.е. прекращает с ним взаимодействие и распространяется с постоянной скоростью. По мере распространения ленгмюровского возмущения вглубь плазмы в процесс ускорения захватываются все новые частицы и, соответственно, возрастает чис- ло электронных сгустков. На Рис.3 проиллюстриро- вано влияние теплового разброса пробных частиц на модуляцию плотности. Тепловой разброс приводит практически к исчезновению регулярной модуляции плотности частиц. На Рис.3 представлена зависи- мость числа частиц N в относительных единицах от времени, пересекающих плоскость ζ =60. а б Рис.3. Временное распределение количества проб- ных электронов, ускоренных ленгмюровской волной, возбуждаемой коротким лазерным импульсом, на расстоянии endξ =60: а - без теплового разброса, б - с тепловым разбросом Рассмотрим теперь влияние энергетического раз- броса пробных частиц на процесс их ускорения ленгмюровским возмущением, возбуждаемым в плазме лазерным импульсом. На Рис.3,б изображе- ны траектории пробных частиц, полученные для значения их температуры 32 кэВ. Сгустки ускорен- ных электронов видны существенно менее отчетли- во, чем в случае “холодных“ пробных частиц (см. Рис.3,а). Сравнение зависимостей числа частиц от времени, прошедших через различные плоскости Const=ζ , демонстрирует существенное уменьше- ние модуляции в результате перекрытия различных сгустков. На относительно малых расстояниях ζ видны сгустки заряженных частиц. Тепловое движе- ние приводит к их существенному уширению. При больших ζ (ζ=55) сгустки перекрываются. Пучок ускоренных частиц, соответственно, демодулирует- ся. На Рис.4-7 изображены фазовые портреты для пробных частиц без теплового разброса и с тепловым разбросом, соответствующим температуре плазмы в различные моменты времени. Причем Рис.4,5 соот- ветствуют температуре Te1, а Рис.6 – температуре Te2. По оси ординат отложены значения безразмерного импульса iiγβ , где cvii /=β , а по оси абсцисс – положения частиц в пространстве. a ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с. 182 б в Рис.4. Фазовая плоскость ускоренных (для резкого профиля интесивности лазера) ленгмюровской волной пробных электронов, имеющих начальный тепловой разброс, соответствующий температуре плазмы Te=32 кэВ, для различных моментов времени: а – τ =2.7, б - τ=13.5, в - τ= 30.6 На Рис.5 представлена фазовая плоскость уско- ренных (для резкого профиля интенсивности лазера) ленгмюровской волной пробных электронов без на- чального теплового разброса при температуре плаз- мы Te=32 кэВ, для различных моментов времени а – τ=2.7, б – τ=13.5, в –τ=30.6. Из сравнения Рис.4-5 с Рис.6, на котором пред- ставлена фазовая плоскость ускоренных (для резко- го профиля интесивности лазера) ленгмюровской a б в Рис.5. Фазовая плоскость ускоренных (для резкого про- филя интенсивности лазера) ленгмюровской волной пробных электронов без начального теплового разбро- са при температуре плазмы Te=32 кэВ, для различных моментов времени: а – τ =2.7; б - τ =13.5; в -τ = 30.6 a б в Рис.6. Фазовая плоскость ускоренных (для резкого профиля интенсивности лазера) ленгмюровской вол- ной пробных электронов, имеющих начальный тепло- вой разброс, соответствующий температуре плаз- мы Te=2 кэВ, для различных моментов времени: а – τ =0.4, б - τ =2.7, в - τ =13.5 волной пробных электронов, имеющих начальный тепловой разброс, соответствующий температуре плазмы Te=2 кэВ, для различных моментов времени, видно, что уменьшение температуры плазмы приво- дит к увеличению энергии ускоренных электронов в результате сильного увеличения амплитуды плаз- менной волны из-за уменьшения ее групповой ско- рости, определяющейся температурой плазмы. На Рис.7 представлена фазовая плоскость ускорен- ных (для плавного профиля интенсивности лазера) ленгмюровской волной пробных электронов, имею- щих начальный тепловой разброс, соответствующий температуре плазмы Te=32 кэВ, для различных момен- тов времени: а – τ =2.7; б – τ =13.5; в – τ =30.6. От- личие Рис.7 от Рис.4-6 заключается в использовании лазерных импульсов с различным передним фронтом (соответственно плавным и резким нарастанием ин- тенсивности лазерного излучения). Из сравнения Рис.4 и Рис.7 видно, что для плавного профиля, во-первых, формирование первого сгустка происходит на большей длине, а во-вторых, максимальные скорости ускоренных частиц существенно меньше. a _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.180-184.183 б в Рис.7. Фазовая плоскость ускоренных (для плавного профиля интенсивности лазера) ленгмюровской волной пробных электронов, имеющих начальный тепловой разброс, соответствующий температуре плазмы Te=32 кэВ, для различных моментов времени: а –τ =2.7, б - τ =13.5, в - τ =30.6 На каждую частицу действует продольное элек- трическое поле, осциллирующее с плазменной ча- стотой. Частица захватывается в процесс ускорения, когда электрическое поле пришедшего в данную точку интенсивного ленгмюровского импульса име- ет отрицательную полярность. Поток ускоренных электронов представляет собой последовательность коротких сгустков с нарастающей высотой от голо- вы электронного потока к его хвосту. Максимальная энергия частиц первого сгустка, имеющего мини- мальную интенсивность потока частиц и максималь- ный продольный размер, составляет, примерно 870 кэВ. Энергия последующих сгустков лежит в преде- лах от 88 до 200 кэВ. 4. В работе исследовано ускорение электронов волновым ленгмюровским возмущением, возбужда- емым в плазме лазерным импульсом. Было установ- лено, что основная доля частиц приобретает вблизи переднего фронта пакета ленгмюровских волн энер- гию, существенно превышающую тепловую, и вы- ходит из области пакета, т.е. прекращает с ним взаи- модействие. Как следует из результатов проведен- ных исследований, даже при больших (порядка несколько сотен МВ/см) амплитудах возбужденных полей пакета ленгмюровских волн, энергия ускорен- ных частиц не превышает 1 МэВ. Показано, что в случае “холодных” пробных частиц поток ускорен- ных электронов представляет собой последователь- ность коротких импульсов с нарастающей макси- мальной интенсивностью. Учет теплового движения ускоряемых частиц приводит к уширению сгустков, их перекрытию и на больших расстояниях к демо- дуляции пучка ускоренных электронов. Таким образом, убедительно показано, что уско- рение коротким интенсивным лазерным импульсом в полубесконечной плазме, в которой групповая скорость определяется температурой плазмы и яв- ляется достаточно низкой, − не перспективно, так как частицы ускоряются на достаточно малой длине и в дальнейшем не находятся в синхронизме с паке- том ленгмюровских волн, имеющим большую ам- плитуду. Для повышения эффективности ускорения целесообразно сформировать плазменный волновод, групповая скорость ленгмюровского возмущения в котором была бы достаточно высокой, чтобы обес- печить синхронизм ускоряемых частиц с волнами. Работа частично финансово поддержана проек- том ИНТАС № 01-233 и Государственным фондом фундаментальных исследований Украины по проек- ту 02.07/000213. ЛИТЕРАТУРА 1. V.A. Balakirev, V.I. Karas’, I.V.Karas’, V.D. Levchenko. Plasma wake-field excitation by relativistic electron bunches and charged par- ticle acceleration in the presence of external mag- netic field // Laser and Particle Beams. 2001, v.19, p.597-604. 2. В.А. Балакирев, В.И. Карась, И.B. Карась. Ускорение заряженных частиц интенсивным ультра коротким электромагнитным импуль- сом, возбужденным в плазме лазерным излу- чением или релятивистскими электронными сгустками // Физика плазмы. 2002, т.28, c.144- 160. 3. S.D. Baton, J.J. Santos, F. Amiranoff et al. Evi- dence of ultrashort electron bunches in laser-plas- ma interactions at relativistic intensities // Phys. Rev. Lett. 2003, v.91, p.105001-1-105001-4. 4. M.J. Hogan, C.E. Clayton, C. Huang et al. Ultrarela- tivistic-positron-beam transport through meter-scale plasmas // Phys. Rev. Lett. 2003, v.90, p.205002-1- 205002-4. 5. V. Kitagawa, T. Matsumoto, T. Minamihata et al. Beat-wave excitation of plasma wave and observation of accelerated electrons // Phys. Rev. Lett. 1992, v.68, p.48-51. 6. P. Sprangle, J.R. Penano, B. Hafizi et al. Gev-ac- celeration in tapered plasma channel // Phys. Plasmas. 2002, v.9, p.2364-2370. 7. A. Максимчук, К. Флиппо, Х. Краузе и др. Ге- нерация ионов высокой энергии короткими ла- зерными импульсами // Физика плазмы. 2004, т.30, с.514-536. 8. V.A. Balakirev, V.I. Karas’, I.V. Karas’ et al. Charged particle acceleration by an intense wake- field excited in plasmas by either laser pulse or relativistic electron bunch // Laser and Particle Beams. 2004, v.22, p. 383-392. 9. G.R. Davies, A.R. Bell, M.G. Haines et al. Short- pulse high-intensity laser-generated fast electron transport into thick solid targets // Phys. Rev. E. 1997, v.56, p.7193-7203. 10. M. Tatarakis, F.N. Beg, E.L. Clark et al. Propa- gation Instabilities of High-Intensity Laser-Pro- duced Electron Beams // Phys. Rev. Lett. 2003, v.90, p.175001-1-175001-4. ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с. 184 11. О.В. Батищев, В.И. Карась, В.Д. Левченко, Ю.С. Сигов. Кинетическое моделирование открытых пучково-плазменных систем // Фи- зика плазмы. 1994, т.20, с.654-662. 12. В.А. Балакирев, И.В. Гавриленко, В.И. Карась и др. Возбуждение ленгмюровских колебаний лазерным импульсом в полуограниченной плазме // Физика плазмы. 2005, т.31, с.842- 847. ELECTRON ACCELERATION WITH THE HELP OF LANGMUIR OSCILLATIONS EXCITED BY A SHORT LASER PULSE IN A SEMI-INFINITE DENSE PLASMA V.А. Balakirev, I.V. Gavrilenko, V.I. Karas`, A.P. Tolstoluzhsky The results of a theoretical study of a test electron acceleration with the help of langmuir wave excited by a short laser pulse with the frequency 2/pωω = (where pω is the electron plasma frequency) are presented. Such pulse can penetrate into the plasma over a distance equal to the skin-depth and effective excites a Langmuir wave) that accelerate the electrons. It is shown that the accel- erated electron flow modulation is observed therewith an accelerated particle initial thermal straggling tend to be bunches broaden- ing, their overlapping and the accelerated electron formed beam demodulation. ПРИСКОРЕННЯ ЕЛЕКТРОНІВ У НАПІВОБМЕЖЕНІЙ ПЛАЗМІ ЛЕНГМЮРІВСЬКИМИ КОЛИВАННЯМИ, ЗБУДЖЕНИМИ ЛАЗЕРНИМ ІМПУЛЬСОМ В.А. Балакирев, І.В. Гавриленко, В.І. Карась, О.П. Толстолужський Представлені результати теоретичних досліджень процесу прискорення пробних електронів ленгмюрівською хвилею, збудженою лазерним імпульсом, частота якого дорівнює половині електронної плазмової частоти. Такий імпульс проникає в плазму на глибину скін-шару, ефективно збуджує ленгмюрівські коливання, котрі і прискорюють електрони. Показано, що спостерігається модуляція потоку прискорених електронів, причому початковий тепловий розбіг прискорених частинок приводить до розширення згустків, їх перекриття і на великих відстанях до демодуляції сформованого пучка прискорених електронів. _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.180-184.185 Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт" PACS: 52.75.Di

Ускорение электронов в полуограниченной плазме ленгмюровскими колебаниями, возбуждаемыми лазерным импульсом

Institution

Similar Items