等离子体尾波场加速正负缪子的PIC模拟研究

来源 :西华师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lzd_1983
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缪子对于探寻超出标准物理模型的新物理具有十分重要的意义,主要手段有缪子反常磁矩的测量(+-)和缪子稀有衰变测量(+-)。除此之外,静止质量为207倍电子质量,静止寿命为2.2μs的缪子还可以被应用于广泛的领域,比如:缪子对撞机(+-),未来中微子工厂(+-),μSR(缪子自旋、共振和弛豫的简称)技术(+),缪子催化聚变(-),缪子x射线无损检测(-)等。然而到目前为止,仅存在两种类型的缪子,高能极低流的宇宙射线缪子和加速器产生的低能人工缪子源。人工缪子源寿命太短,宇宙射线缪子源强度极低,这两种缪子源都限制了缪子科学的发展。激光等离子体尾波场可以提供GV/m-TV/m的加速梯度,具有加速缪子的潜能。等离子体尾波场由激光或电子束驱动,并以接近于光速的速度向前运动,低能缪子束无法跟上尾波场的运动。因此等离子体尾波场加速缪子的主要困难在于低能缪子的加速。研究发现利用激光等离子体尾波场加速得到的Ge V电子束打高Z靶可以产生具有一定准直性的缪子束,峰值能量为两三百Me V。我们以这种方式产生的缪子束为基础对其进行进一步加速。本文主要基于3维Particle-In-Cell(PIC)模拟研究低能正负缪子在等离子尾波场中的加速,为未来高能缪子源的产生提供具有一定可行性的方案。对于负缪子,本文提出使用由激光等离子体加速产生的电子束驱动等离子体尾波场来快速加速低能负缪子。由归一化强度为=35的激光驱动的等离子体加速器可以产生能量为3 Ge V,电荷数为16.7 n C的电子束,在由这样的电子束驱动的尾波场中缪子可以在22.5 ps内从275 Me V被加速至10 Ge V。选择电子驱动束和缪子束注入到等离子中合适的时间延迟,缪子束的纵向尺寸会被压缩,并导致较窄的能谱宽度。当缪子的注入时间比电子束晚65 fs时,加速后缪子的能散为6%。电子驱动束通过等离子体尾波场把能量转移给缪子束的能量转化效率可高达20%。对于正缪子加速,本文提出使用整形后具有陡峭上升前沿的拉盖尔高斯(LG)激光,即涡旋光驱动的甜甜圈状等离子体尾波场来快速加速正缪子。同时给出了一个物理模型,物理模型展示了正谬子被甜甜圈状等离子体尾波场中心的电子柱聚焦,并在尾场前半部分被加速。LG激光可以被近临界密度等离子体整形,整形后的LG激光脉冲具有更陡峭的上升沿。具有陡峭上升沿的LG激光可以推动等离子体电子在甜甜圈状尾波场前方形成一个更高密度的电子鞘层,这会增大正缪子的加速场。由整形LG激光驱动的正谬子加速场大概为未整形激光驱动加速场的4倍。模拟结果显示初始能量为300 Me V的正缪子束在由整形后具有陡峭上升沿的LG激光驱动的甜甜圈状等离子体尾波场中可以被加速到2 Ge V,同时正缪子束的横向尺寸在ps量级内由初始的0=5μm聚焦到了=2μm,所用LG激光的归一化强度为=22。
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