Ścisłe rozwiązanie relatywistycznych równań ruchu naładowanej cząstki w wiązce laserowej w obecności stałego, osiowego pola magnetycznego

• Autorzy: Dubik A. , Małachowski M. J.

Warianty tytułu

EN

Exact solution of relativistic equations for charged particle motion in laser beam with static axial magnetic field

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki teoretycznej analizy zachowania się naładowanej cząstki w polu elektromagnetycznym w wiązce laserowej oraz w stałym polu magnetycznym skierowanym osiowo względem wiązki laserowej. Wyniki w postaci graficznej uzyskano, korzystając z wyprowadzonych oryginalnych analitycznych wyrażeń. Weryfikację otrzymanych równań analitycznych przeprowadzono, rozwiązując wyjściowe równania różniczkowe metodą Runge-Kutta. Otrzymane analityczne równania umożliwiły ilościowe zobrazowanie za pomocą wykresów wpływu różnych parametrów na kształt, rozmiary, kierunek ruchu elektronu wzdłuż trajektorii, a także na jego energię kinetyczną. Przez zwiększanie natężenia pola elektrycznego wiązki laserowej można zwiększać rozmiary trajektorii zarówno w przypadku hipocykloid, jak i w przypadku epicykloid tzn. krzywych będących rzutem trajektorii na płaszczyznę (x, y). Ta zmiana jest proporcjonalna do zmiany amplitudy natężenia pola elektrycznego. Natomiast zwiększanie indukcji stałego, wzdłużnego pola magnetycznego prowadzi do zmniejszania rozmiarów trajektorii i zmian ich kształtów.

EN

The results of theoretical analysis of behaviour of charged particle in the electromagnetic field of laser beam in the presence of the axially directed static magnetic field are presented in the graphical form. The results have been obtained using the originally derived analytical equations. The equations have been verified by numerical solution of differential equations of motion using the Runge-Kutta method. The analytical equations with the aid of the proper curves enabled a quantitative illustration of the impact of different parameters on the shape, dimensions and the electron motion direction along the trajectory. By changing the intensity of the laser beam it is possible to change the dimension of the trajectories of hypocycloids as well as epicycloids which present the projection of the trajectories on the (x, y) plane perpendicular to the axis direction. This change was found to be proportional to the change of the electric field intensity. However, the increase in the static axial magnetic field leads to the decrease in the trajectory dimensions and the change of theirs shape.

Słowa kluczowe

PL

relatywizm; akceleracja; naładowana cząstka; wiązka lasera; pole elektromagnetyczne; pole magnetyczne

EN

relativity; acceleration; charged particle; laser beam; electromagnetic field; magnetic field

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 58, nr 1
• Strony: 7--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., wykr.

Twórcy

autor

Dubik A.

autor

Małachowski M. J.

• Politechnika Radomska im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Nauczycielski, Katedra Wychowania Technicznego, 26-600 Radom, ul. J. Malczewskiego 20A

Bibliografia

• [1] E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, A. TING, Overview of plasma-based accelerator concepts, IEEE Trans. Plasma Sci., 24, 1996, 252-288.
• [2] A. Modena, Z. Najmudin, A. E. Dangor, C. E. Clayton, K. A. Marsh, C. Joshi, V. Malka, C. B. Darrow, C. Danson, D. Neely, F. N. Walsh, Electron acceleration from the breaking of relativistic plasma waves, Nature (London), 377, 1995, 606-608.
• [3] P. Chen, Grand Disruption: A Possible Final Focusing Mechanism For Linear Colliders, Part. Accel., 20, 1987, 171.
• [4] T. Tajima, J. M. Dawson, Laser Electron Accelerator, Phys. Rev. Lett., 43, 1979, 267-270.
• [5] L. Gorbunow, V. I. Kirsanov, Excitation of plasma waves by an electromagnetic wave packed, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 93, 1987, 509-513.
• [6] D. Umsadter, E. Esarey, J. K. Kim, Nonlinear Plasma Waves Resonantly Driven by Optimized Laser Pulse Trains, Phys. Rev. Lett., 72, 1994, 1224-1227.
• [7] P. Sprangle, E. Esarey, J. Krall, G. Joyce, Propagation and guiding of intense laser pulses in plasmas, Phys. Rev. Lett., 69, 1992, 2200-2203.
• [8] T. M. Antonsen, Jr., P. Mora, Self-ocusing and Raman scattering of laser pulses in tenuous plasmas, Phys. Rev. Lett., 69, 1992, 2204-2207.
• [9] N. E. Andreev, L. M. Gorbunov, V. I. Kirsanov, A. Pogosova, R. R. Ramazashvili, Resonant excitation of wakefields by a laser pulse in a plasma, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz., 55, 1992, 551-555.
• [10] E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, A. Ting, Self-focusing and guiding of short laser pulses in ionizing gases and plasmas, IEEE J. Quant. Electron., 33, 1997, 1879-1914.
• [11] H. Hora, Particle acceleration by superposition of frequency-controlled laser pulses, Nature 333, 1988, 337-338; http://arxiv.org/PS_cache/math-ph/pdf/9908/9908024v1.pdf.
• [12] F. V. Hartemann, J. R. Van Meter, A. L. Troha, E. C. Landahl, N. C. Luhmann, Jr., H. A. Baldis, A. Gupta, A. K. Kerman, Three dimensional relativistic electron scattering in an ultrahigh-intensity laser focus, Phys. Rev., E 58, 1998, 5001-1012.
• [13] G. V. Stupakov, M. S. Zolotorev, Ponderomotive Laser Acceleration and Focusing in Vacuum for Generation of Attosecond Electron Bunches, Phys. Rev. Lett., 86, 2001, 5274-5277.
• [14] D. Umstadter, Review of physics and applications of relativistic plasmas driven by ultra - intense lasers, Phys. Plasmas, 8, 2001, 1774-1785.
• [15] J. J. Xu, Q. Kong, Z. Chen, P. X. Wang, D. Lin, Y. K. Ho, Vacuum laser acceleration in circularly polarized fields, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, 2007, 2464-2471.
• [16] D. N. Gupta, H. Suk, Electron acceleration to high energy by using two chirped lasers, Laser Part. Beams, 25, 2007, 31-36.
• [17] V. H. Mellado, S. Hacyan, R. Hauregui, Trapping and acceleration of charged particles in Bessel beams, Laser Part. Beams, 24, 2006, 559-565.
• [18] K. Koyama, M. Adachi, E. Miura, S. Kato, S. Masuda, T. Watanabe, A. Ogata, M. Tanimoto, Monoenergetic electron beam generation from a laser - plasma accelerator, Laser Part. Beams, 24, 2006, 95-100.
• [19] A. Kumar, M. K. Gupta, R. P. Sharma, Electron acceleration to GeV energy by a radially polarized laser, Laser Part. Beams, 24, 2006, 403-409.
• [20] H. Liu, X. T. He, H. Hora, Additional acceleration and collimation of relativistic electron beams by magnetic field resonance at very high intensity laser interaction, Appl. Phys., B 82, 2006, 93-97.
• [21] D. N. Gupta, C. M. Ryu, Electron acceleration by a circularly polarized laser pulse in the presence of an obliquely incident magnetic field in vacuum, Phys. Plasmas, 12, 2005, 053103-1-053103-5.
• [22] Y. I. Salamin, Farhad H. M. Faisal, Reletivistic free - electron dynamics and light emission spectra in the simultaneous presence of a super - intense laser field and a strong uniform magnetic field, Phys. Rev., A 58, 1998, 3221-3234; Y. I. Salamin, F. H. M. Faisal, Christoph, H. Keitel, Exact analysis of ultrahigh laser-induced acceleration of electrons by cyclotron autoresonance, Phys. Rev., A 62, 2000, 053809-1-053809-15.
• [23] G. D. Tsakiris, C. Ghan, V. K. Tripathi, Laser induced electron acceleration in the presence of static electric and magnetic fields in a plasma, Phys. Plasmas, 7, 2000, 3017-3030.
• [24] G. Zeng, Energy gain of injected electrons subjected to an intense laser field and its magnetic field induced in plasma, Phys. Rev., E 60, 1999, 5950-5958.
• [25] I. Yu. Kustyukov, G. Shvets, N. J. Fish, J. M. Rax, Magnetic-field generation and electron acceleration in relativistic laser channel, Phys. Plasmas, 9, 2002, 636-648.
• [26] K. P. Singh, Electron acceleration by a circularly polarized laser pulse in a plasma, Phys. Plasmas, 11, 2004, 3992-3995.
• [27] P. X. Wang, Y. K. Ho, X. Q. Yuan, Q. Kong, N. Cao, L. Shao, A. M. Sessler, E. Esarey, E. Moshkovich, Y. Nishida, N. Yugami, H. Ito, J. X. Wang, S. Scheid, Characteristics of laser-driven electron acceleration in vacuum, J. Appl. Phys., 91, 2002, 856-866.
• [28] http://www.lanl.gov/mst/nhmfl /magnets.shtml
• [29] K. P. Singh, Acceleration of electrons by a circularly polarized laser pulse in the presence of an intense axial magnetic field in vacuum, J. Appl. Phys., 100, 2006, 044907-1-044907-4.
• [30] http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0802/0802.0092v1.pdf
• [31] A. Dubik, Ruch naładowanych cząstek w polach elektromagnetycznych, Monografia nr 101, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom, 2007.
• [32] E. Mulas, Przykłady symulacji komputerowej w fizyce, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2006.