[論文レビュー] Stochastic electron heating in the laser and quasi-static electric and magnetic fields

Yanzeng Zhang, S. I. Krasheninnikov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2018

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 44被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、3/2次元ハミルトニアンフレームワークを用いて、強力なレーザー場と準静的電場・磁場を組み合わせた環境下における確率的電子加熱を調査する。相対論的電子振動が静的電場内で発生する長尾型調和スペクトルにより、レーザーからの共鳴的エネルギー移動が可能となり、確率的加熱が引き起こされることを示している。主な結果として、レーザー強度が上昇するにつれて確率的電子エネルギーの上限が増加するが、電場が強くなると低下し、光速を超える位相速度では抑制されることが明らかになった。

ABSTRACT

The dynamics of relativistic electrons in the intense laser radiation and quasi-static electromagnetic fields both along and across to the laser propagating direction are studied in the 3/2 dimensional Hamiltonian framework. It is shown that the unperturbed oscillations of the relativistic electron in these electric fields could exhibit a long tail of harmonics which makes an onset of stochastic electron motion be a primary candidate for electron heating. The Poincar\'e mappings describing the electron motions in the laser and electric fields only are derived from which the criterions for instability are obtained. It follows that for both transverse and longitudinal electric fields, there exist upper limits of the stochastic electron energy depending on the laser intensity and electric field strength. Specifically, these maximum stochastic energies are enhanced by a strong laser intensity but weak electric field. Such stochastic heating would be reduced by the superluminal phase velocity in both cases. The impacts of the magnetic fields on the electron dynamics are different for these two cases and discussed qualitatively. These analytic results are confirmed by the numerical simulations of solving the 3/2D Hamiltonian equations directly.

研究の動機と目的

• 強力なレーザー・プラズマ相互作用において、準静的電場および磁場が関与する状況下での相乗的電子加熱のメカニズムを解明すること。
• ポンドモチブススケーリングを超える電子エネルギー増幅における確率性の曇りのない役割を解明すること。
• 相対論的電子力学において、確率的加熱が規則的共鳴過程を上回るようになる条件を特定すること。
• 最大確率的電子エネルギーがレーザー強度、電場強度、および位相速度にどのように依存するかを定量化すること。
• 横方向と縦方向の電場、および磁場が、確率的挙動をどのように調整するかを検討すること。

提案手法

• 正規化変数を用いた次元なし解析を実施するため、レーザー放射および準静的電磁場内における相対論的電子の3/2次元ハミルトニアンフレームワークを構築する。
• エネルギー転送量が1回の衝突あたり小さいと仮定し、非断熱的電子-レーザー相互作用におけるエネルギー変化を推定するために定常位相法を適用する。
• ハミルトニアン方程式からパンカルエ写像を導出し、電子の位相空間力学を可視化し、確率的運動が生じる領域を特定する。
• 静的電場内での摂動のない電子振動に対する解析的近似（横方向では2次関数的、縦方向ではべき乗則的）を用いて、調和スペクトルを計算する。
• 電子波とレーザー波の間の位相差の減衰率を評価し、持続的なエネルギー交換および確率的挙動の発生条件を特定する。
• 3/2次元ハミルトニアン方程式の直接数値シミュレーションを実施し、解析的予測の妥当性を検証し、拡散的エネルギーキックの観察を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的電場内での摂動のない電子振動における長尾型調和スペクトルが、レーザー場および静的場下での確率的電子加熱をどのように可能にするか。
• RQ2 横方向と縦方向の電場が、確率的電子加熱の発生および最大エネルギーにどのように異なる影響を及ぼすか。
• RQ3 光速を超える位相速度がなぜ確率的加熱を抑制するのか。また、横方向と縦方向の電場配置において、そのメカニズムにどのような違いがあるか。
• RQ4 磁場が確率的電子力学にどのように作用するか。どのような条件下で確率的挙動を強化または抑制するか。
• RQ5 パンカルエ写像および定常位相法に基づく解析的予測が、3/2次元ハミルトニアン系の完全な数値シミュレーションとどの程度一致するか。

主な発見

• 確率的電子加熱は、静的電場内での摂動のない電子振動が生成する長尾型調和スペクトルに起因する、共鳴エネルギー幅の拡張によって駆動される。
• 最大確率的電子エネルギーには上限があり、レーザー強度が上昇するにつれて増加するが、電場強度が増加するにつれて減少する。
• 光速を超える位相速度は、位相差の減衰率を低下させることで確率的加熱を抑制する。この効果は横方向電場の場合、縦方向電場の場合よりも顕著である。
• 横方向電場では、有効ポテンシャルにより位相差の減衰率が低下し、ポテンシャル井戸付近で電子-レーザー結合が強化される。
• 縦方向電場では、電子-レーザー相互作用はポテンシャル井戸の底で最も強く、ここでは位相差の減衰率が高いため、エネルギー増幅が制限される。
• 数値シミュレーションにより解析的予測が妥当であることが確認され、確率的運動に一致する拡散的エネルギーキックが観測され、パンカルエ写像の結果が妥当であることが裏付けられた。