激光離化注入產(chǎn)生高品質(zhì)電子束理論與數(shù)值模擬.pdf

1、激光等離子體加速器，或稱作激光尾場加速器(LWFA)，是利用能量密度極高、指向性好的激光脈沖與特定氣體相作互用時(shí)產(chǎn)生的等離子體加速結(jié)構(gòu)，在毫米到厘米，甚至于米的尺度上將電子束加速到接近于光速，達(dá)到極高能量的裝置。激光等離子體加速器與傳統(tǒng)的射頻加速器相比，有著加速梯度大，不受材料破壞電場閾值的限制等優(yōu)點(diǎn)，從而具有比傳統(tǒng)射頻加速器更小，使用場合更加靈活等優(yōu)點(diǎn)。雖然激光尾場加速器有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于激光器的發(fā)展瓶頸，和其本身加速結(jié)構(gòu)微小導(dǎo)致控

2、制不便等因素的限制，其加速得到的粒子束暫不能與傳統(tǒng)加速器的輸出粒子束相媲美。本文針對飛秒相對論強(qiáng)度的激光與等離子體相互作用時(shí)的激光尾場加速進(jìn)行討論，給出了離化注入情況下輸出電子束能散控制的三種原創(chuàng)方法，克服了往常激光加速的輸出電子束品質(zhì)不高，特別是能散較大的問題，以期許將這個(gè)新一代加速器推向?qū)嵱谩?br>　　本學(xué)位論文的組織方式如下。第一章將討論飛秒相對論強(qiáng)度激光與稀薄等離子體相互作用的基本理論，空泡尾場加速結(jié)構(gòu)，粒子注入和被捕獲理論，

3、過去數(shù)十年間人們所提出的各種注入方法以及它們的優(yōu)劣，以及本文選擇深入研究離化注入的原因。第二章首先討論了以往離化注入的主要缺點(diǎn)，即能散過大的問題，以及說明解決此問題的方法是縮短有效注入長度。通過PIC模擬，這一章提出一種通過等離子密度整形，特別是注入級(jí)前端密度上升沿整形對電子束能散進(jìn)行優(yōu)化的方案，當(dāng)上升沿長度控制在90至150微米之間時(shí)，可以使得輸出電子束能散達(dá)到1％到2%的范圍。這一方法能降低能散的原因就是密度上升梯度可以控制空泡相速

4、度，使得激光尾場處于上升沿末端時(shí)大量注入電子，其有效注入距離僅為50微米左右。第三章提出了離化注入自截止的方案，即利用激光束自聚焦效應(yīng)將注入長度限制在數(shù)百微米量級(jí)，從而輸出電子束能散可以被控制在3%左右。這一方法的要點(diǎn)是使用腰斑半徑大于匹配半徑的激光束，使得激光在等離子體中傳輸?shù)倪^程中發(fā)生顯著的自聚焦。當(dāng)激光束自聚焦到光斑最小處附近，由于空泡結(jié)構(gòu)的改變，離化注入可自動(dòng)被抑制。我們通過計(jì)算自聚焦發(fā)生的距離，即可得知有效注入長度；這個(gè)長度在

5、一定的參數(shù)范圍內(nèi)與初始激光腰斑大小正相關(guān)。我們可在保持初始注入發(fā)生條件的情況下盡量選擇較小的光斑，使得有效注入距離盡可能的短，于是電子束能散可以被有效降低；這一思路得到了模擬證實(shí)。第四章將展示利用雙色激光色散激發(fā)間斷的離化注入方案。其基本思想是利用基頻光及其諧波在等離子中相速度不同的特性，我們可以通過調(diào)整基頻光和其諧波的強(qiáng)度，讓高階電離只在它們峰峰重疊的時(shí)候發(fā)生，而在峰谷重疊時(shí)不發(fā)生，于是高階電離發(fā)生的區(qū)域呈間斷分布，且每段電離注入?yún)^(qū)域

6、的長度在100到200微米之間。文中也指出，最優(yōu)化的基頻光和其諧波的組成應(yīng)該是采取方波傅立葉變換的前兩級(jí)。使用這種方法，我們可以在一次激光打靶的過程中產(chǎn)生一束或者多束能散在1%以下的電子束。這個(gè)方案第一次給出了通過激光等離子體加速產(chǎn)生能量間隔可控的多束單能電子束方案，且在目前激光尾場加速已有的模擬研究之中此方案所得電子束能散為最小之一。第五章總結(jié)了全文，并對本論文所提出的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法的說明?？梢钥吹?，盡管這些研究只是理論與模擬