博士论文-激光尾场电子加速的模拟与实验研究

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题名	博士论文-激光尾场电子加速的模拟与实验研究
作者	李大章
学位类别	博士
答辩日期	2010
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	高杰 ; 朱雄伟
关键词	激光尾波场电子加速空泡加速模式密度梯度注入预等离子体通道光导引放电毛细管
学位专业	核技术及应用
中文摘要	激光等离子体加速是一种新型的加速原理，其加速梯度可以达到传统射频加速结构的1000倍以上。和传统高能电子加速器动辄十几公里周长，几十亿美元的造价相比，基于超短超强脉冲的激光尾波场加速器具有尺寸小，造价低，建设周期短，运行费用少等优点。随着激光技术的不断发展，脉宽更短、聚焦功率密度更大的激光器不断涌现，这使利用激光等离子体相互作用产生高能粒子源、新型辐射源成为可能。本论文研究的课题是激光等离子体尾波场电子加速的数值模拟与实验研究，旨在通过对激光等离子体相互作用的物理过程的分析，找出如何利用现有的典型百太瓦激光器，生成准单能性高能电子束团的方法，并对束团质量进行优化。本论文主要分为三部分：; 在论文的第一部分（第二章）中，我们首先根据物理所盛政明等人设计开发的多维数值模拟程序KLAP（Kinetic LAser Plasma），对等离子体粒子模拟程序的编写进行了学习研究，然后对有质动力包络中心和准静态近似两种新型算法给予了说明。在第二章最后，我们介绍了本论文主要应用的粒子模拟程序OOPIC和VORPAL，主要给出其输入文件的编写方法，各自的运算特点以及可以研究的问题。; 在论文的第二部分（第三章、第四章）里，我们对激光尾波场电子加速的三大要点问题——如何稳定的激发大幅等离子体尾波场，如何产生更多的能被尾波场加速的电子，如何延长尾波场与电子相互作用的有效距离——进行了理论分析和数值模拟研究。首先我们从激光等离子体作用的基本方程入手，逐步推导出空泡模式下超短超强脉冲在等离子体中激发的等离子体尾场的解析表达式；然后我们分析了背景电子发生自注入的机制，得出了自注入产生的条件。在3.4小节，基于目前实验室条件可以达到的典型百太瓦激光器，我们固定激光参数，对等离子体进行了细致的扫描，得出了一系列空泡加速模式下尾场激发和自注入产生过程中的规律性结论。根据模拟结果，二维条件下的波破阈值和一维非线性理论推导出的波破阈值之间有近似的关系：。一旦波破自注入发生，注入束团的电量随等离子体密度增加而迅速增加，而束团的能量则近似与等离子体密度成反比。我们还依据加州大学洛杉矶分校鲁巍博士的简单壳层模型，定性分析了束团能散与等离子体密度的关系，得出：。; 针对自注入过程的不稳定性以及注入电量过分依赖等离子体密度的问题，我们在第四章给出了密度梯度注入方法的定性理论分析和数值模拟研究结果。模拟显示，引入密度梯度注入法后，被俘获电子的数量提高了一个数量级，同时束团的最大能量和绝对能散变差的不多。通过调整密度变化区域的长度和两端密度差异，可以进一步优化束团质量。在论文的4.3小节和4.4小节，我们重点讨论了延长激光等离子体相互作用的有效距离的问题。根据理论分析，相对论强度激光脉冲的自聚焦作用和预等离子体通道都可以起到对激光脉冲的导引作用，其中前者对短脉冲激光作用有限，后者则适用于任何脉宽。我们用数值模拟对抛物线型预等离子体通道对激光脉冲的导引情况进行了模拟，结果显示使用预等离子体通道可以明显抑制激光脉冲在等离子体中的自然散焦，从而延长有效加速距离，得到更高能量、更小能散的电子束团。; 论文的第三部分（第五章）是对激光尾波场加速的实验研究。首先我们介绍了2007年在四川绵阳进行的激光尾波场电子加速联合实验的实验目的、设计布局、探测手段等方面的问题，然后根据实验数据对大功率条件下烧蚀型毛细管的结构对激光脉冲的导引条件进行了分析，这是实验上第一次成功对超过100TW的超短超强激光脉冲进行毛细管光导引。接着我们主要依据毛细管放电电流曲线，对实验中未能发现高能电子的原因进行了分析，给出了我们的推测及相应的建议。最后针对激光尾场电子加速实验的核心部件——充气型放电毛细管的加工制作，我们给出了一些实验性的研究结果。
语种	中文
学科主题	核技术及应用
公开日期	2016-02-25
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/209517]
专题	加速器中心_学位论文和出站报告高能物理研究所_加速器中心
作者单位	中国科学院高能物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	李大章. 博士论文-激光尾场电子加速的模拟与实验研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010.