激光尾波场电子加速器及X射线源研究

发布时间：2020-05-24 23:31

【摘要】：近年来,激光尾波场加速(LWFA)作为新型加速技术,因其具有加速梯度高、体积小、造价低等优点有望实现台面化的电子加速器和X射线源而受到关注。本论文主要介绍了作者在攻读博士学位期间设计搭建的一个专门用于LWFA及次级辐射源研究的平台,并利用该平台详细地研究了加速高品质电子束的方案和探索有效产生超快X射线的途径。论文主要分为以下几个部分。第一部分为绪论,主要介绍了LWFA的基本原理及相关研究的进展,然后介绍了基于LWFA的超快X射线的产生方式:背向汤姆逊散射和Betatron辐射,并从经典同步辐射模型推导了两种辐射的特性。第二部分是全功能加速与辐射平台的研制。首先根据目前世界上主流的电子加速方案阐述了LWFA参数的设计规则。然后介绍了我们研制的加速与辐射平台的各个组成部分及特性。第三部分介绍了电子束品质提升的方法。首先比较了相同功率不同初始焦斑激光驱动的自注入LWFA中电子束品质的特性。我们发现相同功率不同初始焦斑激光在相同密度的等离子体中传播时虽然最终都会达到匹配焦斑大小但加速表象并不相同。大的初始焦斑有利于激光在等离子体中的长距离传输,产生的电子束能散小而且更加稳定。然后介绍了激光与纯氮气靶相互作用,研究了全局变量对电子品质的影响,通过条件优化最终产生了指向、电量、能谱稳定的高品质电子束。接下来介绍我们提出的一种仅通过合理的设计激光和等离子体参数就可以通过离化注入LWFA产生单能电子束的方案。最后介绍了啁啾脉冲在等离子体中传播时对演化的影响,我们发现通过引入合适正啁啾有利于激光在等离子体中演化的稳定,不但提高了电子加速的稳定性,而且对提高Betatron辐射临界能量效果明显。第四部分介绍了基于LWFA的全光逆康普顿X射线源,首次使用了高激光透过率的纯氮气作为加速靶材,获得了目前最小激光功率驱动的高稳定性逆康普顿X射线输出,为实现Table-Top X射线源提供了可行性方案。实验中,通过合理的配比加速激光与对撞激光的权重实现X射线产额的提高。最终使用15TW的驱动激光,获得了4.5×10~7个光子,其中超过200keV的光子产额约为1.2×10~7个。
【图文】：

为高斯光束振幅常量，如果只考虑相对值，可由归一化条件求出。 为高斯光束束腰。 ( )为高斯光束的束宽，表达式如下:20 00( ) 1 ( ) 1 ( )Rz zw z w wz w (1.2)其描述了光束的直径是传播距离的函数，而且由（1.1）可知，高斯光束在 z为常数的面内电场振幅以高斯函数 ¤ ζ ( ) 的形式从中心向外平滑地减小。R( )为高斯光束的等相面曲率半径,表达式如下：202( ) ( ) [1 ( ) ]RRRzzwR z z zz z z (1.3) ( )为高斯光束的等相位因子，表达式如下：1 120( ) tan tanRz zzz w (1.4)

为聚焦元件的焦距，， 为光束直径， 为激光波长。根据方程 1.5 可知通过缩短焦距，增加光束直径或者减小激光波长都可以获得更小的焦斑，理论上高斯光束聚焦可以获得的最小焦斑为其波长大小。瑞利长度被定义为：2022( )Rw fzD ， (1.6)其物理意义为，图 1.2，当 = 时， ( ) = 。 的范围为高斯光束的准值范围。在这段范围内高斯光束可以近似认为是平行的，瑞利长度越长意味着高斯光束的准直范围越大。由 1.6 式可知可以通过增加焦距来获得更长的瑞利长度。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53;TN24

【参考文献】

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1 李玉同;飞秒激光等离子体光学诊断和自生磁场实验研究[D];中国工程物理研究院;2001年

本文编号：2679170