[论文解读] Long Term Evolution of Plasma Wakefields

Aakash A. Sahai, T. Katsouleas+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文研究了由强激光或粒子束驱动的等离子体尾场的长期演化（LTE），重点关注超过等离子体电子和离子振荡周期的时间尺度下能量弛豫、离子动力学及热化过程。通过2.5维PIC模拟，表明尾场因相位混合与离子运动而发生去相干，导致能量耗散并形成稳定的空泡状结构，对基于等离子体的对撞机重复率限制具有关键影响。

ABSTRACT

We study the long-term evolution (LTE) of plasma wakefields over multiple plasma-electron periods and few plasma-ion periods, much less than a recombination time. The evolution and relaxation of such a wakefield-perturbed plasma over these timescales has important implications for the upper limits of repetition-rates in plasma colliders. Intense fields in relativistic lasers (or intense beams) create plasma wakefields (modes around ωpe) by transferring energy to the plasma electrons. Charged-particle beams in the right phase may be accelerated with acceleration/focusing gradients of tens of GeV/m. However, wakefields leave behind a plasma not in equilibrium, with a relaxation time of multiple plasma-electron periods. Ion motion over ion timescales, caused by energy transfer from the driven plasma-electrons to the plasma-ions can create interesting plasma states. Eventually during LTE, the dynamics of plasma de-coheres (multiple modes through instability driven mixing), thermalizing into random motion (second law of thermodynamics), dissipating energy away from the wakefields. Wakefield-drivers interacting with such a relativistically hot-plasma lead to plasma wakefields that differ from the wakefields in a cold-plasma.

研究动机与目标

• 理解等离子体尾场在初始几个等离子体周期之后的长期演化行为。
• 分析离子在声学时间尺度上的运动对尾场稳定性与能量分布的影响。
• 评估等离子体电子的热化过程及其对未来等离子体对撞机重复率的影响。
• 量化尾场扰动等离子体中的能量保留与扩散时间尺度。

提出的方法

• 使用2.5维OSIRIS PIC代码进行模拟，采用欧拉方法描述等离子体动力学并设置吸收边界条件。
• 初始等离子体密度为0.01nc，离子为+1价（10mp），激光脉冲参数为a0 = 4.0，脉宽FWHM为10 fs。
• 纵向空间分辨率为每皮肤深度（c/ωpe）20个网格单元，横向为每皮肤深度10个网格单元。
• 追踪电子与离子密度、动量相空间及电场演化，时间跨度达6283.2 /ωpe。
• 分析尾场衰减、空泡合并、离子通道形成及相锁结构中的束缚电场。
• 对比激光驱动与束流驱动情况下的尾场行为，强调后者缺乏驱动辐射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在初始激发之后，等离子体尾场在多个电子与离子等离子体周期内的演化过程如何？
• RQ2 离子动力学与离子声学时间尺度在尾场弛豫与去相干过程中起到何种作用？
• RQ3 尾场能量在等离子体中在多大程度上被保留或耗散？这对后续驱动脉冲有何影响？
• RQ4 在长期演化中，诸如空泡（cavitons）等结构如何形成？它们如何影响场束缚与能量分布？
• RQ5 电子热化与模式相位混合如何影响高重复率等离子体对撞机的可行性？

主要发现

• 初始形成激光驱动等离子体空泡，其鞘层曲率随时间增加，电子密度逐渐降低。
• 约在1650 /ωpe（≈10 /ωia）时，离子运动变得明显，形成离子通道并逐渐远离轴向。
• 在约100 c/ωpe处观察到合并的等离子体空泡，伴随电子围绕共同离子空腔运动，表明长期结构重组。
• 激光脉冲结束后（10 fs）仍长期存在束缚的纵向与横向电场，表明形成了具有稳定场约束的类空泡结构。
• 系统通过相位混合与能量均分趋向热平衡，符合热力学第二定律，相干尾场中存在显著能量耗散。
• 电子动量相空间显示无序性增加与相干性丧失，证实等离子体波模随时间发生去相干。