[논문 리뷰] Stochastic electron heating in the laser and quasi-static electric and magnetic fields

Yanzeng Zhang, S. I. Krasheninnikov외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 27.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 44인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 3/2D 해밀토니안 프레임워크를 사용하여 강한 레이저장과 준정적 전기장 및 자장이 결합된 상황에서 스트로스틱 전자 가열을 연구한다. 상대론적 전자 진동이 정적 전기장에서 장수 꼬리형 조화 스펙트럼을 생성함으로써 레이저로부터 공명 에너지 전달이 가능해지고 스트로스틱 가열이 유도됨을 보여준다. 주요 결과로는 스트로스틱 전자 에너지의 상한선이 레이저 강도 증가에 따라 증가하지만 전기장 강도 증가에 따라 감소하며, 초광속 위상 속도에 의해 억제됨을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 레이저-플라즈마 상호작용에서 준정적 전기장 및 자장이 포함된 상황에서 전자 가열의 상호작용 메커니즘을 명확히 하기 위해.
• 압력 효과 스케일링을 초월한 전자 에너지 증가에서 스트로스틱성의 모호한 역할를 해결하기 위해.
• 상대론적 전자 역학에서 스트로스틱 가열이 정규 공명 과정을 초월하여 지배적인 조건을 규명하기 위해.
• 레이저 강도, 전기장 강도, 위상 속도에 따라 최대 스트로스틱 전자 에너지가 어떻게 달라지는지를 정량화하기 위해.
• 횡방향과 종방향 전기장 및 자장이 스트로스틱성 조절에 어떻게 다른 역할을 하는지 분석하기 위해.

제안 방법

• 정규화 변수를 사용한 무차원 분석을 위해 레이저 복사장과 준정적 전자기장 내의 상대론적 전자에 대한 3/2D 해밀토니안 프레임워크를 수립한다.
• 에너지 전달이 충돌 당 작을 것으로 가정하여, 비아디아틱 전자-레이저 상호작용 동안의 에너지 변화를 추정하기 위해 정적 위상 방법을 적용한다.
• 해밀토니안 방정식에서 파oincaré 매핑을 유도하여 전자 위상공간 역학을 시각화하고 스트로스틱 운동 영역을 식별한다.
• 정적 전기장 내에서의 비분산 전자 진동에 대한 분석적 근사(횡방향에는 제곱형, 종방향에는 거듭제곱형)를 사용하여 조화 스펙트럼을 계산한다.
• 전자와 레이저 파동 간의 탈조율 속도를 평가하여 지속적인 에너지 교환과 스트로스틱성 발생 조건을 결정한다.
• 직접 수치 시뮬레이션을 통해 3/2D 해밀토니안 방정식을 검증하고 확산적인 에너지 케이크를 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 전기장 내에서 비분산 전자 진동의 장수 꼬리형 조화 스펙트럼이 레이저 및 정적 필드에서 스트로스틱 전자 가열을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ2 횡방향과 종방향 전기장이 스트로스틱 전자 가열의 발생 시점과 최대 에너지에 어떻게 다른 영향을 미치는가?
• RQ3 초광속 위상 속도가 스트로스틱 가열을 어떻게 억제하며, 이는 횡방향과 종방향 필드 구성에서 어떻게 다를까?
• RQ4 자장은 스트로스틱 전자 역학을 어떻게 수정하며, 어떤 조건에서 스트로스틱성을 증가시키거나 억제할 수 있는가?
• RQ5 Poincaré 매핑과 정적 위상 방법에 기반한 분석 예측이 3/2D 해밀토니안 시스템의 전체 수치 시뮬레이션과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 스트로스틱 전자 가열은 정적 전기장 내 비분산 전자 진동에서 발생하는 장수 꼬리형 조화 스펙트럼으로 인해 넓어진 공명에 의해 유도된다.
• 최대 스트로스틱 전자 에너지는 상한선이 존재하며, 레이저 강도 증가에 따라 증가하지만 전기장 강도 증가에 따라 감소한다.
• 초광속 위상 속도는 탈조율 속도를 감소시켜 스트로스틱 가열을 억제한다; 이 효과는 횡방향 전기장에서 종방향보다 더 강하다.
• 횡방향 전기장의 경우 효과적 잠재에너지 덕분에 잠재에너지 웅덩이 근처에서 전자-레이저 결합이 더 강해지며 탈조율 속도가 감소한다.
• 종방향 필드의 경우 전자-레이저 상호작용은 잠재에너지 웅덩이의 바닥에서 가장 강하며, 이곳에서는 탈조율 속도가 높아 에너지 수확이 제한된다.
• 수치 시뮬레이션은 분석 예측을 확인하였으며, 확산적인 에너지 케이크가 스트로스틱 운동과 일치하고 Poincaré 매핑 결과를 검증한다.