激光等离子体作用中尾波场电子加速与辐射产生的理论研究

发布时间：2020-03-31 18:10

【摘要】：随着超短超强激光技术的发展,使得利用激光等离子体相互作用产生新型台面型粒子源和辐射源成为了研究热点。这些源与传统源相比具有尺度小、方向性好、造价成本低等特点,从而在惯性约束聚变、新型粒子加速器、医疗诊断和国防建设等方面有着广泛的应用前景。本文采用理论分析和计算机数值模拟相结合的方法研究了激光等离子体相互作用中的尾波场电子加速和辐射产生。论文的主要研究内容包含以下三个部分:第一部分(第二至第四章)研究了激光与等离子体相互作用中的尾波场电子加速。首先,研究了利用增加固体薄膜靶的方法增强尾波场电子注入的方案。研究发现,当气体靶前放置固体薄膜靶时,超强激光首先与薄膜靶相互作用,此时激光焦斑内的薄膜靶电子能够获得较大的纵向动量,导致它们被透射激光激发的空泡俘获并加速。固体薄膜靶在加速过程中主要有两个作用:其一,一部分被激光有质动力加速的薄膜靶电子由于其较高的纵向动量被空泡结构俘获并加速,即为电子注入提供额外电子源。其二,由于相对论自诱导透明效应,薄膜靶能够对驱动激光波形进行调制,陡化透射激光上升沿,这样的激光能够激发更强的尾波场,提高自注入电荷量。与未增加薄膜靶情况相比,总的俘获电荷量提高了两倍。其次,研究了近红外和中红外激光对尾波场电子加速的影响。研究表明,对于一个固定功率的激光系统,长波长激光能够提供更强的有质动力,驱动强的等离子体波,使背景电子更加有效发生自注入。随着驱动激光波长的增长,电子自注入过程发生时间越早,等离子体自注入密度阈值越低。在驱动激光功率为100TW条件下,驱动激光波长从0.8μm增长到4.0μm,俘获电子数目增强近60倍。在实验参数条件下,利用激光波长为2.0μm的激光获得了两束低能散的准单能电子束。再次,研究了拉盖尔高斯激光驱动环形尾波场中离化注入电子束的加速和演化过程。研究表明,拉盖尔高斯激光具有环形的横向强度分布,能够产生一个环形的尾波场结构。激光的部分轨道角动量能够传递给离化注入电子,导致俘获电子束在尾场中旋转加速。然而,在剩余动量和尾波场聚焦力的共同作用下,环形电子束不同位置的电子具有不同的旋转方向。由于较小的初始离化动量,离化电子无法在环形尾场中进行多周期螺旋加速,只能沿着激光极化方向堆积,形成密度不均匀的环形电子束。定标模拟表明通过调整激光脉冲焦斑,能够控制电子束的横向半径和电荷量,且激光强度和等离子体密度对环形电子束半径影响较小。最后,研究了拉盖尔高斯激光驱动尾波场中多横向结构的产生和过渡过程。研究发现,在合适的参数条件下(较低的等离子体密度或者较小的激光焦斑尺寸),环形尾波场的内鞘层电子会在空泡前面重合,外鞘层回流电子则在环形空泡尾部中轴位置堆积,其轨迹相互交叉,最终形成类铃形的中轴空泡结构,这个结构具有纵向加速场和一个类似颠倒三角形的聚焦场。这种多横向尾波场结构能够同时加速线形和环形电子束,并且能够通过调整等离子体和激光参数来控制从仅有中轴线形电子束到仅有环形电子束的过渡过程。第二部分(第五章)研究了激光与气体靶作用中的Betatron辐射,并基于激光尾波场离化注入机制,提出利用双色激光产生可调谐X射线的方案。研究表明,通过调整注入激光的偏轴距离和极化方向,能够控制加速电子在尾波场中的运动轨迹,从而产生高度可调谐强度形状和极化特性的辐射。当注入激光偏轴距离与离化电子的横向动量相匹配时,能够产生强度形状为圆环形,极化分布对称的X射线辐射。环形辐射的峰值亮度能够达到1.3×10~199 photon/s/mm~2/mrad~2/0.1%BW。而且,模拟中的激光和等离子体参数在现有的实验条件下是可以实现的,这为以后的实验验证提供了切实可行的方法。第三部分(第六章)研究了激光与固体靶作用中的高次谐波产生,提出利用相对论超强激光与固体闪耀光栅靶作用定向增强高次谐波辐射的方案。研究表明,这样的光栅靶不仅能够选择光栅频率整数倍阶次的谐波,而且沿着驱动激光局域反射方向的辐射强度能够增强和辐射区域能够增大,通过裁剪局域闪耀结构能够调整定向增强的方向。理论和电子动力学分析表明,可选择性和定向性源于多周期激光与光栅靶作用的相干叠加效应和光栅单凸起结构的电子能量增强效应,该研究结果有利于激光固体靶高次谐波的产生和应用。
【图文】：

粒子模拟,基本原理,带电粒子,洛伦兹方程

图1.3粒子模拟基本原理[19]方法的设想是：假设大量带电粒子具有初始空间位置和速度，对它出等离子体的空间电荷密度和电流密度，再由麦克斯韦方程求得空后求解粒子运动的洛伦兹方程，求出对每个带电粒子的加速度、速

核子,研究中心,欧洲,俯视图

图1.4欧洲核子研究中心俯视图[30]可以大大减小加速器的体积，降低造价成本[31 34]。光器发明之后，在1979年，Tajima和他的学生Dawson率先提子体相互作用激发等离子体波来加速电子的设想[35]。但是由于强度的限制，如图1.2所示，激光的聚焦功率密度仅为1015W/下，仅适用研究原子物理，激光尾波场加速几乎没有进展。随术的出现使得激光技术快速发展，激光强度很快达到相对论区的粒子加速器提供了新的机遇。目前，尾波场电子加速按照驱两种：激光尾波场加速[36] 和粒子束尾波场加速[37]。而其中粒子束[38]、质子束[39] 和正电子束[40] 等。激光尾波场加速的优点但是容易发生相位失谐导致加速距离较短。粒子束尾波场加速相位失谐，可以大大延长加速距离，但是其加速梯度较小。对，其加速原理为：当超强相对论激光在稀薄等离子体中传输时动力首先推动等离子体中电子向前加速，由于离子质量较大，止的。这样就造成了正负电荷分离，形成电子的空间振荡，从
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53;TN24

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