激光等离子体Betatron辐射产生与鞘层电场诊断的数值研究

摘要

在强场物理中，超强激光与低密度等离子体相互作用为新的高能电子源和高亮度辐射源提供了实现平台。其中，最具代表性的应用是电子在尾波场中的加速和辐射产生。为了获得能量更高、能散更小、电量更大的粒子加速以及更高强度的辐射，需要对电子的加速和注入机制提出创新和优化。同时，作为强场物理的另一重要组成，激光与超临界密度等离子体相互作用中的鞘层质子加速，一直以来因诊断方法的限制而无法获得鞘层电场的空间结构。 在阐述分析电子在尾波场的注入和加速机制以及强场物理中的电场诊断方法后，通过解析和数值模拟的方法，本文主要对以下三个方面进行了研究: 1)解析分析了圆偏振激光与等离子体相互作用中，外加轴向磁场对尾波场内俘获电子与激光之间betatron共振的影响机制，发现外加轴向磁场可以通过调制电子的betatron振荡频率来对依赖共振的激光直接加速过程产生作用。当外加磁场逆着自生轴向磁场时，电子的共振加速和betatron辐射均被增强。同时，因为轴向磁场对俘获电子螺旋运动的径向约束作用，电子的俘获效率也得到了提升，这进一步增强了产生的硬X射线辐射强度。我们也使用数值模拟的方法予以了验证。 2)分析separatrix发现，在二维情况下，在尾波场横向边缘附近实现注入对电子能量的要求达到最低。我们通过PIC数值模拟的办法，研究了使用尾波场对外源发射的低能电子束进行加速的可能性。发现，尾波场可以将常见的外源低能MeV电子加速到158 MeV的高能量，同时并具有2.9％的低能散。我们同时也观察了这种电子在尾波场中betatron振荡产生的软X射线辐射。 3)数值研究发现，利用高能发散质子束对超强局域鞘层电场进行照相，可以有效避免探针质子束的轨迹交叉问题，并使得探测面上的密度扰动满足线性条件。因为鞘层电场具有柱对称性，我们使用这种线性的密度扰动，并借助Abel逆变换的办法，反演重建了超强局域鞘层电场的三维结构，同时对位置错移问题进行了修正。发现重建的电场与原PIC模拟的电场相比，峰值电场误差只有约23％，电场厚度误差只有约8％，且峰值位置、空间结构吻合良好。

目录

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摘要

第一章引言

1．1强场物理与激光等离子体相互作用简介

1．2国内外的最新进展

1．2．1激光尾波场电子加速

1．2．2辐射产生

1．2．3质子加速

1．3论文安排

参考文献

第二章激光与等离子体的相互作用

2．1激光尾波场的产生

2．1．1等离子体波与有质动力

2．1．2尾波场的产生

2．1．3电子的俘获和加速

2．1．4电子注入

2．2电子的激光直接加速与betatron辐射产生

2．3鞘层

2．3．1超热电子的产生

2．3．2鞘层电场质子加速

参考文献

第三章轴向外加磁场对Betatron辐射的影响

3．1粒子运动的解析理论

3．2粒子运动的数值模拟

3．2．1单粒子轨道模拟

3．2．2多粒子模型

3．3 Betatron辐射

3．3．1单粒子辐射

3．3．2多粒子辐射

本章小结

参考文献

第四章侧向注入和软X射线辐射的产生

4．1侧向注入

4．2 PIC模拟和二维俘获截面

4．3 Betatron辐射产生

本章小结

参考文献

第五章等离子体中的自生电场诊断

5．1偏转法

5．2 Abel还原法

本章小结

参考文献

第六章高能发散质子束对局域超强鞘层场的诊断

6．1 Abel还原原理

6．2鞘层场的PIC模拟

6．3还原结果分析

6．4参数影响

6．4．1质子动能的影响

6．4．2质子束能散的影响

6．4．3质子束发散角的影响

6．4．5鞘层电场强度

6．4．6电子探针

本章小结

参考文献

第七章总结与展望

7．1总结

7．2展望

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果