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电子束与高强度激光相互作用中的辐射反应
摘要： 由电磁场加速的带电粒子会辐射能量，根据动量守恒定律，这种辐射必然对发射粒子的产生反冲作用。这种被称为辐射反应的反冲力，会显著影响超高相对论性电子在强电磁场中的动力学行为。此类环境在天体物理中普遍存在（例如中子星磁层），也将在下一代高强度激光装置的激光-物质实验中人工实现。在这些场景中，单个辐射光子的能量可能与发射粒子的能量相当，这就不仅需要建立辐射反应模型，还必须考虑量子辐射反应模型。全球范围内多拍瓦级激光系统在大科学装置中的发展，以及这些系统有望产生聚焦强度超过10^23 W/cm2的前所未有的强电磁场，重新激发了学界对这些效应的研究兴趣。本文综述了通过超高相对论性电子束探测高强度激光场中辐射反应及其量子效应的理论与实验进展，重点探讨解析和数值方法如何揭示新型辐射反应诱导动力学，以及如何在现有激光装置实验中研究相同物理机制。
关键词： 激光尾波场加速、辐射反作用、同步辐射、粒子模拟、强场量子电动力学、高功率激光器
更新于2025-09-23 15:21:01
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低压容性耦合射频放电中的电子动力学
摘要： 在低温等离子体中，电子与电场的相互作用是一个重要的当前研究课题，与许多应用相关。特别是在低压工况（<10帕）下，电子可能穿越与反应器尺寸相当的路径而不发生任何碰撞。这会导致"非局域"动力学现象，从而产生复杂的时空依赖性及分布函数的强各向异性。工作于此工况的容性耦合射频放电（CCRF）展现出极其复杂的电子动力学特性——这是因为电子会与等离子体边界鞘层中产生的、随外加射频频率振荡的时变空间电场发生相互作用。本教程论文通过粒子模拟/蒙特卡洛碰撞方法，研究了低压富电子氩放电中电子动力学的基本物理机制。通过分析（辅以动画演示）阐述了基本等离子体参数（密度、电场、电流和温度）之间的相互作用及其时空动力学特征。最终呈现的图景全面揭示了电子在CCRF放电中获得与损失能量的机理。
关键词： 低压、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞模拟、电子动力学、等离子体参数、电容耦合射频放电
更新于2025-09-23 15:21:01
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超强激光脉冲与薄靶相互作用下的光帆效应与钻孔辐射压加速研究
摘要： 采用圆偏振激光脉冲的辐射压力加速（RPA）方案能高效产生高强度、高能量的准单色离子束。根据靶材厚度不同，RPA呈现两种典型模式：在超薄靶中发展的光帆（LS）模式和在较厚靶中发展的钻孔（HB）模式。本研究通过全相对论粒子模拟（PIC）方法探究了LS-RPA与HB-RPA的离子加速动力学过程，利用一维理论模型合理阐释了两种模式的转换竞争机制。为验证一维结果的可靠性并研究多维效应，还开展了二维模拟。本工作有助于深化对RPA机理的理解，并为获得高质量、高通量离子束提供重要指导。
关键词： 离子加速、辐射压力加速、激光-等离子体相互作用、粒子模拟（PIC模拟）
更新于2025-09-23 15:19:57
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两个超强激光脉冲在低密度等离子体中自陷的相互作用特性
摘要： 通过研究波包络的演化，探讨了欠密度等离子体中两束平行相对论激光的相互作用。基于无光束混合条件下总激光功率的演化，给出了两束激光间能量转移的表达式。研究表明，能量转移方式与激光初始相位差呈非线性关系，且相互作用结果取决于激光强度、光斑半径及间距。通过直接数值求解激光包络的相对论非线性薛定谔方程以及粒子模拟法验证了上述结果。该研究及结论有助于理解欠密度等离子体中多束同向传播激光的能量转移行为。
关键词： 非线性薛定谔方程、低密度等离子体、能量转移、激光束、粒子模拟（PIC模拟）
更新于2025-09-19 17:13:59
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三色激光诱导空气等离子体产生的太赫兹辐射
摘要： 基于光电流模型，通过粒子模拟研究三色激光（基波ω、二次谐波2ω和三次谐波3ω）诱导空气等离子体中太赫兹辐射的产生机制。结果表明：三色激光方案产生的太赫兹辐射振幅比双色激光方案（基波ω与二次谐波2ω）高出数倍。为获得最佳条件，我们进一步研究了基波与二次谐波相位差（?2）及基波与三次谐波相位差（?3）对太赫兹生成的影响。研究发现，在三色方案中?3对太赫兹辐射的影响强烈依赖于?2，当?2=π/6且?3=π/6时可获得最大太赫兹辐射。同时考察了激光波长和脉冲持续时间的影响——结果显示太赫兹辐射强度与激光波长的平方成正比；此外，增加脉冲持续时间也能提升太赫兹辐射强度。
关键词： 光电流模型、粒子模拟、相位差、脉冲持续时间、太赫兹辐射、激光波长、三色激光
更新于2025-09-19 17:13:59
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超强飞秒激光驱动的非对称磁重联
摘要： 通过相对论粒子模拟（PIC）研究了超强飞秒（fs）激光驱动的三维非对称磁重联（AMR）。发现其重联速率仅为先前对称重联PIC模拟结果的三分之一。与地球磁层顶日侧重联情况类似，磁X点与速度停滞点并未重合——X点位于弱场侧而停滞点位于强场侧。此外，随着激光辐照推进，X点的移动方向由dBH=dBL决定，停滞点的移动则受neHBL=neLBH主导（其中dB和ne分别表示磁场扰动与电子密度，下标"H"代表强场侧，"L"代表弱场侧）。研究还探讨了AMR触发的箍缩不稳定性，以及两束平行电流合并导致弱激光产生的电子束倾斜的现象。
关键词： 水动力不稳定性、粒子模拟、重联速率、超强飞秒激光、非对称磁重联
更新于2025-09-16 10:30:52
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来自激光等离子体加速器的高能质子微束团
摘要： 激光驱动离子加速器的最新进展引发了人们对这类高能粒子源的更大兴趣，特别是在其在高能物理和医疗应用等广泛领域的可行性方面。在此，我们发现了一种新的离子加速机制，并通过粒子模拟首次证明：在由混合离子种类构成的双气体靶中，能够产生高能单色质子微束团，同时观察到加速质子束的加速与自调制过程。在该离子加速机制中，超短超强激光脉冲（2拍瓦，20飞秒）与近临界密度部分电离等离子体（碳和氢元素）相互作用，我们通过数值模拟观测到高质量的高能单色质子微束团（峰值质子能量350兆电子伏特，激光-质子转换效率约10^-4，发散角小于10度），这对医疗应用具有重要价值。我们预计，通过该方案，现有激光装置可获得更高能量范围和单色性的加速质子，或使中小型激光实验室能在中等能量条件下开展激光驱动离子加速研究，从而减小加速器体积?；旌掀灏械氖褂媒迪终庑┘铀倨鞯母咧馗雌德试诵?，且不受等离子体碎片和电磁脉冲干扰。
关键词： 质子微束团、激光驱动离子加速器、医学应用、粒子模拟（PIC模拟）、高能物理
更新于2025-09-16 10:30:52
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飞秒激光等离子体驱动实验离子加速的粒子模拟方法
摘要： 采用粒子模拟方法对飞秒激光脉冲以靶背鞘层加速机制辐照薄箔产生的质子与离子加速测量结果进行了拟合。该模拟程序计算了驱动前向离子加速的靶背侧最大电场强度。研究采用中等对比度激光（强度约10^19 W/cm2）评估了电子密度随时间与空间的变化关系及等离子体温度。实验通过飞行时间法配置的碳化硅探测器测得超过10 MeV的质子加速。文中报道并讨论了理论预测与实验数据的对比分析。
关键词： 离子加速、碳化硅、粒子模拟、靶后鞘层加速、飞秒激光
更新于2025-09-16 10:30:52
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激光等离子体加速器产生的极化质子束
摘要： 我们报道了一种创新性激光驱动等离子体加速器的概念，该加速器可产生动能高达数GeV的极化质子（或氘核）束流。为模拟等离子体中粒子自旋的运动，我们已在粒子模拟程序VLPL中将其作为额外自由度进行建模。实验方面，正在建造极化HCl气体射流靶，其中质子极化度将通过兰姆位移偏振仪测定。最终实验将在上海光机所10拍瓦激光系统SULF上进行，旨在首次观测激光产生等离子体中的极化粒子束流。
关键词： 激光等离子体加速器、粒子模拟、极化质子束
更新于2025-09-16 10:30:52
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激光尾波场加速器中的非线性等离子体波长标度关系
摘要： 激光尾波场加速依赖于强激光脉冲的有质动力激发等离子体波。然而实验中极少直接研究激光尾迹中的等离子体波列。本研究采用少周期阴影成像结合干涉测量技术，对GeV级加速器密度范围（即约10^18 cm^-3量级）内激光激发的等离子体波进行量化分析。虽然解析模型表明非线性等离子体波长与峰值相位a0存在明确关联，但我们的研究表明这些解析模型仅在驱动强度a0?1时准确。实验数据与系统性粒子模拟揭示：等离子体波列的非线性展宽不仅取决于激光峰值强度，还受光束焦点腰斑尺寸影响。
关键词： 非线性等离子体波长、粒子模拟、等离子体波、激光尾场加速
更新于2025-09-16 10:30:52