激光离化注入产生高品质电子束理论与数值模拟

摘要

激光等离子体加速器，或称作激光尾场加速器(LWFA)，是利用能量密度极高、指向性好的激光脉冲与特定气体相作互用时产生的等离子体加速结构，在毫米到厘米，甚至于米的尺度上将电子束加速到接近于光速，达到极高能量的装置。激光等离子体加速器与传统的射频加速器相比，有着加速梯度大，不受材料破坏电场阈值的限制等优点，从而具有比传统射频加速器更小，使用场合更加灵活等优点。虽然激光尾场加速器有着诸多优点，但由于激光器的发展瓶颈，和其本身加速结构微小导致控制不便等因素的限制，其加速得到的粒子束暂不能与传统加速器的输出粒子束相媲美。本文针对飞秒相对论强度的激光与等离子体相互作用时的激光尾场加速进行讨论，给出了离化注入情况下输出电子束能散控制的三种原创方法，克服了往常激光加速的输出电子束品质不高，特别是能散较大的问题，以期许将这个新一代加速器推向实用。
　　本学位论文的组织方式如下。第一章将讨论飞秒相对论强度激光与稀薄等离子体相互作用的基本理论，空泡尾场加速结构，粒子注入和被捕获理论，过去数十年间人们所提出的各种注入方法以及它们的优劣，以及本文选择深入研究离化注入的原因。第二章首先讨论了以往离化注入的主要缺点，即能散过大的问题，以及说明解决此问题的方法是缩短有效注入长度。通过PIC模拟，这一章提出一种通过等离子密度整形，特别是注入级前端密度上升沿整形对电子束能散进行优化的方案，当上升沿长度控制在90至150微米之间时，可以使得输出电子束能散达到1％到2%的范围。这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度，使得激光尾场处于上升沿末端时大量注入电子，其有效注入距离仅为50微米左右。第三章提出了离化注入自截止的方案，即利用激光束自聚焦效应将注入长度限制在数百微米量级，从而输出电子束能散可以被控制在3%左右。这一方法的要点是使用腰斑半径大于匹配半径的激光束，使得激光在等离子体中传输的过程中发生显著的自聚焦。当激光束自聚焦到光斑最小处附近，由于空泡结构的改变，离化注入可自动被抑制。我们通过计算自聚焦发生的距离，即可得知有效注入长度；这个长度在一定的参数范围内与初始激光腰斑大小正相关。我们可在保持初始注入发生条件的情况下尽量选择较小的光斑，使得有效注入距离尽可能的短，于是电子束能散可以被有效降低；这一思路得到了模拟证实。第四章将展示利用双色激光色散激发间断的离化注入方案。其基本思想是利用基频光及其谐波在等离子中相速度不同的特性，我们可以通过调整基频光和其谐波的强度，让高阶电离只在它们峰峰重叠的时候发生，而在峰谷重叠时不发生，于是高阶电离发生的区域呈间断分布，且每段电离注入区域的长度在100到200微米之间。文中也指出，最优化的基频光和其谐波的组成应该是采取方波傅立叶变换的前两级。使用这种方法，我们可以在一次激光打靶的过程中产生一束或者多束能散在1%以下的电子束。这个方案第一次给出了通过激光等离子体加速产生能量间隔可控的多束单能电子束方案，且在目前激光尾场加速已有的模拟研究之中此方案所得电子束能散为最小之一。第五章总结了全文，并对本论文所提出的方法进行了实验实现方法的说明。可以看到，尽管这些研究只是理论与模拟预测，但使用的参数条件都是目前实验室条件可以实现的，所以可以预期在数年内看到这些方法的实验验证。

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主要符号对照表

第一章 概论

1.1 最简单的强激光作用下的带电粒子动力学

1.2 强激光作用下的稀薄等离子体动力学

1.3 激光在稀薄等离子体中的传输

1.4 激光尾场加速器背景与基本概念

1.5 空泡尾场加速结构

1.6 尾场中的电子注入与捕获

第二章 等离子体密度包络裁剪与电离注入优化

2.1 电离注入基本模型

2.2 单级激光加速的基本模拟

2.3 两级加速以及等离子体密度包络裁剪

2.4 小结

第三章 激光尾波场电离注入自截止

3.1 激光在等离子体中的自聚焦传输

3.2 激光在等离子中自引导的匹配光斑半径

3.3 非匹配条件下的电离注入自截止现象及机制

3.4 有效注入距离的优化及高品质电子束产生

3.5 小结

第四章 双色激光诱导电离注入产生多束单能电子束

4.1 双色激光传输演化模型以及优化参数的选择

4.2 类方波双色激光间断电离注入一维模拟

4.3 类方波双色激光间断电离注入多维效应及其模拟

4.4 小结

第五章 总结与展望

附录A 激光光强，功率，以及相对论自聚焦

参考文献

简历

致谢

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