真空激光加速的幾個重要問題的研究.pdf

1、隨著強(qiáng)激光技術(shù)的飛速發(fā)展，利用激光的超強(qiáng)電磁場來加速帶電粒子(主要是電子)的研究受到了人們的普遍關(guān)注。所在課題組提出了一種新型的真空激光加速電子的機(jī)制——俘獲加速機(jī)制(CAS：Capture and Acceleration Seerlari0)，發(fā)現(xiàn)對于初始僅為幾MeV能量的電子可以在真空通過與聚焦的強(qiáng)激光束相互作用，一次性獲得百M(fèi)eV甚至GeV量級的能量增益，而無需對光場進(jìn)行任何約束。本論文在此基礎(chǔ)之上，針對真空中激光加速電子的幾個

2、重要的前沿性問題做了深入地研究，不僅進(jìn)一步完善了對CAS機(jī)制的理論研究，而且為下一步的實(shí)驗(yàn)工作提供可行性肚方案與參數(shù)選擇的判斷依據(jù)。 以前有關(guān)CAS的研究局限于線極化激光場。本論文通過系統(tǒng)的模擬計(jì)算分析．證實(shí)了聚焦圓極化場中也可以實(shí)現(xiàn)CAS加速，并且通過對兩類極化場的基本特征與電子動力學(xué)的對比分析，發(fā)現(xiàn)了圓極化場中的加速通道具有更為廣闊的入射相空間，從而對于相同的入射電子束團(tuán)，圓極化場可使更多的電子獲得加速。圓極化場的這一特征主

3、要表現(xiàn)在：其縱場振幅或加速通道呈柱對稱分布；電子的最大出射能量對入射極化方位角的變化不敏感；最大出射能量隨碰撞參數(shù)的變化趨勢更為緩慢；在相空間p<,1>，-θ<,1>中分布著更多的高能輸出電子；關(guān)于激光初始相位φ<,0>的CAS平臺相對更平滑等。上述特性直接導(dǎo)致對于實(shí)際的具有一定初始橫間發(fā)射度及能量散度的束團(tuán)加速，在圓極化場中可能獲得更多的CAS出射電子，而且具有較低的能量散度。 通過理論分析和模擬研究，本文還首次指出了圓極化場

4、加速的另一個特點(diǎn)：漱加速電子的“能量飽和”現(xiàn)象，即當(dāng)激光場強(qiáng)度很高時(通常α<,0> >20比較明顯)，隨著光場強(qiáng)度的增大，電子最大出射能量的增長逐漸趨于緩慢，呈飽和現(xiàn)象。而之前的研究表明，線極化場中的電子相應(yīng)能量隨激光強(qiáng)度基本呈線性增長趨勢。其物理根源在于圓極化場中的一項(xiàng)縱向磁場力對總和的縱向加速力的削弱作用，文中對此做出了詳盡的解釋。該現(xiàn)象嚴(yán)重限制了在激光場強(qiáng)度較大時，圓極化場在CAS加速研究中的應(yīng)用。本文進(jìn)而推薦了在圓極化場中實(shí)現(xiàn)

5、CAS加速的合理的激光強(qiáng)度范圍。 上述兩項(xiàng)研究結(jié)果為在下一步的CAS實(shí)驗(yàn)研究中如何選擇極化場提供了理論依據(jù)。 線極化激光場存在兩個加速通道，以前的研究局限于利用與電子入射同側(cè)的加速通道。源于實(shí)驗(yàn)條件的要求，本文首次探討了應(yīng)用另側(cè)加速通道實(shí)現(xiàn)CAS加速的條件和特點(diǎn)。通過理論計(jì)算與模擬分析，發(fā)現(xiàn)具有較高入射動量的電子可以橫向穿越激光束軸而進(jìn)入到另側(cè)的加速通道中進(jìn)行CAS加速；此種俘獲加速過程具有較大的CAS電子注入動量窗口；

6、而且由于最大出射能量對入射動量不甚敏感，因此在一定程度上可能會有助于降低輸出電子束團(tuán)的能量散度。這項(xiàng)研究不僅是CAS理論的延伸與擴(kuò)展，而且有實(shí)際的應(yīng)用價值。我們是根據(jù)合作單位美國BNL-ATF(Accelerator Test Facilities)的實(shí)驗(yàn)條件開展此項(xiàng)研究的。它為在該實(shí)驗(yàn)室中開展CAS的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)提供了一種合理而有益的實(shí)現(xiàn)方案及參考數(shù)據(jù)。 CAS加速方案的基本原理是將快電子注入光束的低相速度區(qū)以對電子實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步加速。我們

7、還探討了另一種不通過加速通道對快電子直接加速的方案。其基本物理思想是由于快電子在光場中的相對相滑移較慢，部分入射電子當(dāng)處于光場的加速相區(qū)時，正值在光束的強(qiáng)場區(qū)；而當(dāng)它們滑相至減速相時，己離開了強(qiáng)場區(qū)而進(jìn)入強(qiáng)度相對較弱的場區(qū)，從而獲得一定的凈能量增益。通過模擬研究證實(shí)了上述直接加速過程確實(shí)存在。由于直接加速現(xiàn)象在激光與電子團(tuán)相互作用過程中普遍存在，因而可看作CAS加速現(xiàn)象的一種補(bǔ)充。兩種加速方案共同說明了所謂的Lawson-Woodwar