电子束尾波对质子束自调制尾波相速度影响的理论和数值模拟研究*

华津宇 盛政明2)†

1) (上海交通大学物理与天文学院, 激光等离子体教育部重点实验室, 上海 200240)

2) (上海交通大学李政道研究所, 上海 200240)

高能质子束在等离子体中通过自调制不稳定激发尾波的研究在过去的十年里有了长足的发展, 在欧洲核子研究中心(CERN)人们已经在相关AWAKE实验中利用这种尾波加速电子, 并获得了最高能量约2 GeV的电子束.针对高能粒子加速应用需求, 近几年人们又进一步提出了利用电子束种子尾波控制质子束自调制过程的方案, 用于提升尾波的强度与稳定性.本文研究了电子束种子尾波对质子束自调制尾波相速度的影响,着重讨论了导致尾波相速度改变的多种物理机理及电子束所起到的作用.通过理论分析和二维粒子模拟研究发现, 电子束的引入可以提升质子束自调制尾波的增长率和尾波的相速度, 且电子束的电荷密度越高其效果愈明显.本文还探讨了电子束能量和质子束的纵向密度分布对相速度变化的影响.

1 引 言

等离子体尾波加速概念[1,2]自从上世纪70年代末被提出以来已经取得了长足的发展, 它通过高强度的激光脉冲或者高能带电粒子束在等离子体中激发出一个大振幅且具有相对论相速度的电子等离子体波来加速电子[3−5].等离子体尾波的场强接近于所谓的等离子体波破裂幅度E0=meωpc/e,其中为等离子体振荡频率,n0为等离子体电子密度,e为电子电荷,me为电子质量,c为光速.该场强比传统加速器产……