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激光尾波场加速电子的实验研究(可编辑)

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激光尾波场加速电子的实验研究(可编辑)激光尾波场加速电子的实验研究(可编辑) 激光尾波场加速电子的实验研究 中国科学技术大学 又 博士学位论 激光尾波场加速电子 的实验研究 作者姓名: 董克攻 等离子体物理 学科专业: 导师姓名: 王晓方教授谷渝秋研究员 二一一年五月二日 完成时间: 四删四四 。“ 激光尾波场加速电子 的实验研究 董克攻 作者姓名: 等离子体物理 学科专业: 王晓方教授 导师姓名: 谷渝秋研究员 二。一一年五月二日 完成时间: 中国科学技术大学近代物理系 中国工程物理研究院激光聚变研究中心...

激光尾波场加速电子的实验研究(可编辑)
激光尾波场加速电子的实验研究(可编辑) 激光尾波场加速电子的实验研究 中国科学技术大学 又 博士学位论 激光尾波场加速电子 的实验研究 作者姓名: 董克攻 等离子体物理 学科专业: 导师姓名: 王晓方教授谷渝秋研究员 二一一年五月二日 完成时间: 四删四四 。“ 激光尾波场加速电子 的实验研究 董克攻 作者姓名: 等离子体物理 学科专业: 王晓方教授 导师姓名: 谷渝秋研究员 二。一一年五月二日 完成时间: 中国科学技术大学近代物理系 中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 物理研究院激光聚变研究中心????: ’: . : . : 加, ’ /?中国科学技术大学学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或 撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了 明确 的说明。 作者签名:童童坠 签字日期:巡红:笸竺 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为 申请 关于撤销行政处分的申请关于工程延期监理费的申请报告关于减免管理费的申请关于减租申请书的范文关于解除警告处分的申请 学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中国学 位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 目么开 口保密??年 导师签名: 至望鱼左 作者签名:苞色垦 作者签名:篮:匕垦 签字日期: 翌:垂:坌: 签:?』垡摘要 摘 要 带电粒子加速器是世纪最伟大的发明之一,在高能物理及国民经济中发 挥着举足轻重的作用,是所处时代高科技的结晶。对于采用射频腔加速的加速器 来说,由于受限于射频腔材料的电离击穿,其加速电场被限制在/之内, 由此造成高能加速器庞大的体积及高昂的代价,成为制约加速器向更高能量发展 的瓶颈,因此必须寻找更加高效的加速途径。等离子体作为电离介质,本身不存 在电离击穿的问题,是一种理想的加速介质。近年来,随着啁啾脉冲放大技术 的不断发展,出现了超短超强激光脉冲。这为利用激光脉冲共振激发大 振幅的等离子体尾波,进而加速电子提供了新的加速途径。 激光尾波场提供的加速电场高达/,加速产生的电子束脉冲宽度在 飞秒量级,电子束束斑大小在微米量级,这些特性都是传统加速器很难 实现的。鉴于激光尾波场加速电子的诸多优势,世晃各大实验室都投入大量精力 进行研究。本文依据.超短超强激光装置进行了激光尾波场加速电子的 实验研究,主要工作有: 一、利用.口径的超声速锥形喷嘴产生的中性气体与激光脉冲的相互 作用,在国内率先实验获得了的准单能电子束。对于当时激光装置的工 作状态来说,当喷嘴的喷气压强维持在.时,有利于激光尾波场加速产生 高能电子束。为了详细的研究实验中的电子加速过程及其物理问题,利用程 序在大范围的等离子体参数尺度上对激光等离子体相互作用进行模拟分析。结果 显示,在考虑了预脉冲对等离子体密度的影响之后,模拟给出的电子束无论在能 量大小方面还是在能散方面都是最接近实验结果的。通过对激光脉冲及等离子体 波演化过程的细致分析发现,实验中电子束能量较低的原因,是由于在这种情况 下激光脉冲需要在更长的空间尺度~.上进行自演化来提高激光强度, 而电子在尾波场中真正的加速距离只有.左右。 二、实验产生了总电荷量达的电子束。通过对激光脉冲能量的空间分 布及出射电子束角分布的测量发现,激光脉冲能量空间分布的不均匀是导致电子 束大电荷量的主要原因,激光脉冲的不均匀主要包括脉冲主焦斑外围的大面积晕 区以及多个强度较弱的子脉冲。这样的激光脉冲产生的电子束不是单一的电子 束,而是由多束电子构成。为了验证电荷测量的可靠性,对其测量工具进 行了详细的实验标定,标定结果显示测量结果是可信的。 三、理论研究充气型放电毛细管对激光脉冲的引导,从方程组出 发对毛细管充气过程的流量控制进行计算。利用程序对放电毛细管中等离 摘要 子体通道的形成过程进行详细研究。模拟发现,充气型毛细管的放电过程可以分 为电离击穿过程、通道形成过程及通道稳定过程等三个阶段。详细的模拟显示, 在很大的放电电流参数及充气压强范围内,放电毛细管都可以产生比较稳定的等 离子体通道。 四、针对激光脉冲引导所需的预等离子体通道,在国内率先建立了一套完整 的充气型放电毛细管系统,其中包括高压放电电源系统、毛细管系统及其充气系 统。放电电源可以稳定工作在~,对于目前实验常用的毛细管长度及 充气压强来说,这样的电压可以顺利实现毛细管两端的放电击穿。放电电源内置 三种不同的电容器,可以保证放电电流的脉冲宽度在,放电电流 ~。这样的放电电流脉冲可以有效促使毛细管内等离子体的产生及等离 子体通道的稳定形成。 五、在放电毛细管系统的基础上,利用等离子体的展宽效应结合一维 的光谱成像系统,对充气型放电毛细管产生的等离子体密度与充气压强之间的关 系进行详细测量,给出了二者之间的定标关系。测量结果显示,毛细管轴向等离 子体密度与充气压强基本满足线性关系。利用定标关系,在实验中通过调节充气 压强就可以方便的控制等离子体密度。 六、在建立了充气型放电毛细管系统并对其产生的等离子体密度进行测量之 后,在国内首次进行了充气型毛细管的等离子体通道引导及激光尾波场的电 子加 速实验。在放电情况下,小能量打靶时激光能量透过率偏低。在没有放电的情况 下,初步获得了长达的激光引导,同时还实现了毛细管情况下激光尾波场 电子加速中高能电子束的产生。通过对激光脉冲信噪比的对比发现,预脉冲在激 光脉冲的引导过程中起着重要的作用。此外,基于较长的激光等离子体相互作用 距离,透射光谱中出现了蓝移量较大的平台光谱。为了研究首轮实验中放电毛细 管产生等离子体密度较低的原因,在二维情况下对毛细管的充气过程进行详细的 流体模拟。模拟显示,目前放电毛细管等离子体密度低的主要原因是较小的毛细 管充气孔,通过对毛细管充气孔参数的优化选择,提出了对毛细管的进一步改进。 关键词:激光尾波场,电子加速,放电毛细管,模拟,预等离子体通道引 导,模拟,展宽 .. / . .. ,. .,.. ,/, , .. ..:. .. . ,. ., ., . . . . ? .... 御. , . ., . ~ 脏 . ,,.. , .. . . , . ,.. . , . : , , , , ,目 录 录 目 摘要..........?..................................... .....??.....?......? 第一章引言............................................ .强场物理简介? .传统加速器?.. .激光等离子体加速器.国内外现状?.. ..理论方面. ..实验方面。 .论文安排参考文献. 第二章激光等离子体相互作用........................... .激光等离子体相互作用中的非线性过程??. ..自聚焦.. ..光谱变化 .自压缩.. ..受激散射? .激光尾波场的产生??. .。等离子体中的电磁波及等离子体振荡? ..有质动力 ..激光尾波场的产生. .激光尾波场中的电子注入. ..自注入.. ..碰撞注入 ..密度梯度注入?.. ..离化注入 .激光尾波场中三个重要的特征长度.. 目 录 ..自然散焦长度?.。. ..泵浦损耗长度?.. ..失相长度 .激光尾波场中的能量定标率??.. ..线性区.. ..非线性区 参考文献. 第三章喷气靶电子加速实验...?....................... .实验设置及诊断方法?.. ..实验布局及实验条件??.. ..自散射像的测量? .. 散射光谱的测量..电子束能谱的测量. ..电子束电量的测量. .准单能电子束的产生?.. ..角分布测量??. ..能谱测量?..?. ..结果分析 .大电量电子束的产生?.. ..实验结果 ..结果分析 .积分束流仪的标定??. ..标定需求 ..标定方案 ..标定结果 . 模拟分析? ..模拟参数选取?.. ..模拟结果分析?.. .本章 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf .’?.. 参考文献. 第四章毛细管引导原理及数值计算.......................目 录 .激光在等离子体中的引导??... ..引导需求 ..引导途径 ..激光引导的匹配焦斑??.. .毛细管引导效应的数值计算??.. .. 方程组准解析解??.. .. 数值模拟?.. .. 计算? ..毛细管中的定标关系??.. .本章总结参考文献. 第五章毛细管电子加速实验............................ .毛细管及其充气系统?. .毛细管放电系统??.. .等离子体的密度测量?. .. 展宽..测量布局??.. ..测量结果??.. .毛细管电子加速实验初步研究?.. ..实验设置??.. ..小能量引导实验.. ..大能量引导实验.. ..透射光谱的测量.. ..高能电子束的产生 .毛细管的改进. ..充气过程的流体模拟??. ..毛细管的进一步改进??. .本章总结?.. 参考文献 第六章总结与展望......?...?..................... .总结 ?目 录 .展望 致谢..................?........................... 攻读学位期间发表的论文情况............................ 第一章引言 第一章 引言 .强场物理简介 自从年美国人制成世界上第一台激光器红宝石激光器后, 由于其很好的方向性与相干性以及高强度等优点而被广泛应用于国民经济 的各 个领域。随着掺钛蓝宝石:和啁啾脉冲放大技术 的结合及迅速发展?瞳,超短超强激光脉冲技术也得到了飞速发 展,其中激光脉冲宽度为皮秒乃至飞秒量级,脉冲能量在焦耳至数十焦耳之 间, 因此激光的脉冲功率可以达到数十太瓦甚至拍瓦量级,其聚焦之后的功率密 度可 以高达~/。这样高的功率密度可以在实验室中产生前所未有的强 电场”/、强磁场、高温度、高压强、高 密度及高加速度的极端物理条件。这为“快点火、高能量密度物 理、粒子加速物理、天体物理、材料科学等领域都带来了新的机遇与挑战, 如图 .所示?】【。九,.‘一”: 再前嵛赫‘辩~”?“”哪鼍 妇 “?翼 .『。蒹 一: 餐 ;? ” 遘 ?.. ‘ 争裔 。 阳 局 跏图激光功率密度及应用领域 第一章引言 考虑一线偏振激光脉冲,其电场司以表不为: 晶一垃妒 则电子在该激光场中的振荡速度为: ,:堕‖ 毗,归一烟子口詈詈眦:而 向’傲光强度日以表不为: 厶互 氏乓万:万彳 即 扯萨占山筹 五,, 去孚露锄.‖】 最终,归一化因子可以表示为: . 露.×。卿朋?膨 可以看出,对于波长的激光脉冲来说,当激光光强达到.×?了 时,电子振荡速度的归一化因子为,也就是说电子在激光场中的运动达到相 对 诊。比时激光场的电场强度为× / 部的电场强度.×/。激光脉冲的归一化矢势大于被认为是激光强 度进入强场领域的标志,此时的激光物质相互作用也进入到强场物理范畴 ?。 强场物理涉及到的研究内容十分丰富,主要包括:强激光与原子的相互作用 及电离机制‘、强激光与团簇的相互作用及中子产生‘们?、强激光等离子 体 相互作用中自生磁场的产生引、超热电子的产生与输运钔钔、快点火物理剐、 粒子加速‘、高次谐波产生、辐射‘刎‘、正电子‘、台式射线源‘‘钔、 射线源?、光致核反应同位素的产生胁?以及超快化学诊断等乜引。 从上世纪九十年代至今,随着啁啾脉冲放大技术的不断发展,各大高校与实 验室都先后建立了自己的超短超强激光脉冲装置,国外主要有美国实验 】、、英国实 】、 室‘、 验室?】、法国实验室‘州、德国实验室四、日本、韩国】 以及国内的中国工程物理研究院矧、上海光机所口钔、中科院物理所等。基 于这 些激光装置进行了大量的强场物理实验研究,丰富了强场物理实验内容,其 中最 ,该电场强度已经超过了氢原子内.第一章引言 引人注目的是年,杂志同时报道了美国实验室乜、英国 实验室?及法国实验室?铂在激光尾波场电子加速方面的最新进展,三者利 用飞秒太瓦激光在的等离子体尺度上加速产生了百量级的准单能电子 束。这样的加速效率在传统加速器领域是不可想象的,这些实验的成功实施 为激 光尾波场电子加速的应用奠定了坚实的基础。 .传统加速器 带电粒子加速技术在过去的一个多世纪里一直是科学领域所追求的焦点,是 高能粒子研究领域不可或缺的工具。世纪末阴极射线管的出现直接导致了 射线及电子的发现。粒子加速器自世纪年代出现以来, 一直都是其所在时代高技术的结晶,不仅促进了人类对微观世界及宇宙起源方面 的认识,为同步辐射装置、自由电子激光及散列中子源等大型科学装置提供了平 台,而且在科学技术发展及国民经济医学、工业及商业等应用方面发挥着其 不可替代的作用“。 目前的大型粒子加速器包括直线加速器与同步加速器,受限于射频腔材料的 电离击穿,采用射频加速技术的加速器,所能提供的加速梯度一般都低于 /。在这种情况下,为了获得高能粒子束,就只能依靠加速距离的增大, 相应的也就增加了加速器的占地面积以及造价成本,这也导致人们在建造大型加 速器时的犹豫不决。例如目前的斯坦福直线加速器,提供的加速梯度为/,. 在长达的距离上只能加速电子至,更大的加速器需要更大的空间及 建造成本,这限制了加速器技术在各方面的广泛应用。例如在同步辐射光源的应 用方面,英国的 光源需要建造的加速器,整个系统 成本在亿美元左右,同时占地面积达个足球场,这样高昂的代价使加速器很 难大范围普及并造福人类,同时也限制了大型加速器的进一步发展。因此探索新 的加速介质及加速途径成为加速器物理方面比较紧迫的任务之一。 图 及概念图? 第一章引言 .激光等离子体加速器 传统加速器的最大问题在于无法解决射频腔的电离击穿问题,该问题造成了 加速器的体积庞大及造价昂贵。而在大自然中,等离子体作为物质第四态,本身 就处于电离状态,因此对于等离子体来说根本不存在电离击穿的问题,即理论上 可以提供无穷大的加速电场。考虑到等离子体的这一特性,人们把探索新的加速 介质及加速途径的目光投向了等离子体。 年,.与..首先从理论上验证了基于等离子体的等 离子体波加速器的设想“钉。激光等离子体波加速的原理为:当强激光脉冲在次稠 密等离子体中传输时,激光脉冲的有质动力会推动等离子体中的电子运动,并使 其偏离原来位置,而离子由于较大的质量而基本维持静止状态作为本底,进而在 电子离子之间形成分离电场,该分离电场将导致电子在空间上的纵向振荡,形成 大振幅电子等离子体波。因此,激光尾波场本质上属于电子等离子体波,该等离 子体波随激光脉冲向前传播,其相速度等于激光脉冲在等离子体中传输的群速 度,因此等离子体波以接近于光速的速度向前运动。在等离子体波的运动过程中, 随着与激光之间能量的不断耦合,等离子体波振幅不断增大,最终会通过波破等 方式俘获背景电子,进而加速产生高能电子束。 虽然等离子体波加速的概念在理论上已经获得了验证,但受限于当时的激光 技术,等离子体尾波场加速一直没有获得突破性的进展,如图.所示。期间尾 波场电子加速主要集中在激光拍频波加速和自调制尾波场加速,这两种等离子体 波加速机制产生的电子束能量较低量级,而且能谱分布都是准 连续谱九】删】。 ,\?一?.×? 图.激光等离子体波加速器的发展历程? 近年来,随着啁啾脉冲放大技术的发展,激光强度有了大幅度提高,脉冲宽 度可以达到飞秒量级,出现了超短超强激光脉冲装置,这为激光尾波场的共振激 第一章引言 发创造了条件,电子加速也获得了飞速发展。在激光等离子体波加速中,等离子 体波的加速电场梯度可以用公式岛??近似来估计油。理论及实验均表明, 当等离子体密度达到。时,等离子体波的加速电场梯度接近/, 远高于传统加速器。目前实验上利用飞秒太瓦激光器,在厘米量级的尺度上即可 以获得的准单能电子束,这为台面化加速器的实现提供了条件。 .国内外现状 ..理论方面 理论研究是激光等离子体相互作用研究中的重要组成部分,主要包括解析理 论及数值模拟两部分。解析理论可以方便简洁的描述整个物理过程,简化相关物 理模型,给出各参数之间的优化定标关系,但无法实现对物理过程的细致研究, 而数值模拟则可以细化相关物理过程,有利于人们对物理机制的详细研究。自从 激光尾波场加速电子的概念在理论上被提出以来,先后出现了拍频波加速、自 调制尾波场加速、等离子体尾波场、共振尾波场加速及空泡加速等加速机制嘞儿, 同时相关理论也不断发展,从最初简单的线性理论‘邢瑚蝻到考虑了各种非线 性效应的非线性理论‘‘圳‘九,再到后来更加完善的空泡理论阳‘‘泓‘‘矧,这 些理论在帮助人们研究激光尾波场方面起到了重要的作用。在完善激尾波场 产生 理论的基础上,针对实验中电子束的稳定产生,理论研究主要集中在激光脉冲在 等离子体中的稳定传输、尾波场中电子的有效注入等两个方面。 ...激光的稳定传输及引导 强激光脉冲的有限焦斑导致了其在传输时的自然散焦过程,自然散焦不仅降 低了激光强度,也破坏了强激光与等离子体之间的能量耦合,直接影响到尾波场 的产生及电子加速过程。为了提高激光脉冲在等离子体中的有效传输,就需要对 激光脉冲进行引导。从激光脉冲在全离化等离子体中的传输方程出发羽嘲儿刀,可 以得出激光脉冲在等离子体中传输时的等离子体折射率为儿制: . 玎:以/国?一蔓.一叠鱼坐 。 蝣。 。 其中,蠢/代表强激光对电子质量的相对论修正所造成的折射率变化 明,翻/‰代表强激光脉冲的有质动力造成的折射率改变激光自通道引导 时引、等离子体波引导嘲?以及长脉冲的自调制等‘‘‘都是有质动力造 成的,血。/代表外加的等离子体通道对折射率的影响啪,即预等离子体 第一章引言 通道。三者分别对应于激光脉冲的相对论自聚焦、有质动力自聚焦及预等离 子体 通道引导,本质上都属于光学引导。这里可,?%石嘉为等离子体 通道的密度梯度嘞,‘为电子经典半径,为激光焦斑大小。激光脉冲在等离 子体中的传输都可以从公式.出发进行分析,当时,激光脉冲可 以经历聚焦传输,而当叩/务时则会出现激光脉冲的散焦传输钔。 在折射率表达式.中,只考虑电子质量的相对论修正效应对折射率的 影响,则可以得出在等离子体中传输时激光焦斑的演化方程?: 五, 窘去”争 其中,右边第一项代表激光脉冲在真空中传输时的衍射效应,第二项则为激 光脉冲的相对论自聚焦效应,即此时激光脉冲的传输决定于衍射效应与自聚 焦效 应的竞争。为归一化激光焦斑,乙为激光脉冲的瑞利长度, 为激光 脉冲的相对论自聚焦 阈值明,可以表示为: 只‖?./缈口。 由于这里的相对论自聚焦本质上属于光学引导,因此又称之为相对论光引导 。 在折射率表达式中,当只考虑激光脉冲有质动力对等离子体折射率的影响 时,从方程出发,可以得出等离子体密度扰动为“: 翻/‰七:露/? 在线性近似下即激光强度较低/及密度扰动较小/情况下, 可以得出此情况下高斯脉冲焦斑的演化方程??: ?咱’ 宴:去~?鱼磐 万丽一百一瓦万’ 其中翻磊?%,从上述表达式可以看出,仅靠有质动力是无法实现对激 光脉冲的引导的,而在激光强度较高并接近于/ ~时,激光脉冲倾向于自聚 焦引导,但此时的有质动力会促进该引导过程。理论计算表明,当同时考虑相对 论自聚焦及有质动力自聚焦时,阈值功率下降为口们嘲: ‖?.‰/ 有质动力自聚焦本质上来自于其对等离子体密度的扰动,因此,又称之为有第一章引言 质动力自通道引导 。由于相对论自聚焦以及有质 动力自聚焦都依赖于激光脉冲自身与等离子体的相互作用,因此,考虑到电子对 激光脉冲的响应时间,这两种引导方式在短脉冲元。激光情况下很难实 现四。除此之外,这些过程还伴随着激光脉冲演化等非线性过程,容易出现不稳 定性。所以追求高效的引导就只能依赖于预等离子体通道对激光脉冲的引导。 预等离子体通道对激光脉冲的引导主要体现在血。/‰对折射率的修正上 面。假定等离子体横向分布满足如下形式: 其中幽一,代表等离子体通道深度, 贝:/以。在线性 近似下,折射率表达式为:删丢?争 可以得出高斯脉冲在上述等离子体中传输时,其归一化焦斑的演化方程订们: 窘去”瓦妁 其中方程右边第一项依然代表激光脉冲在真空中的衍射效应,第二项则是等 离子体通道对激光脉冲的引导效应。可以证明当血,时油,高斯激光脉冲可 以实现长距离的稳定传输,其中的等离子体通道深度可以简化为 觚肌】./以】。对于超短超强激光脉冲来说,预等离子体通道引 导具有较好的引导效果,而且在激光尾波场加速电子方面也获得了很大的成功 除了激光脉冲的引导之外,激光脉冲在等离子体中传输时还伴随着强烈的不 稳定性出现,主要包括受激散射、自调制不稳定性以及成丝效应等嘲, 这些不稳定性对激光等离子体相互作用会造成很大的负面影响,不仅限制了激光 脉冲在等离子体中的有效传输长度,更破坏了激光尾波场的电子加速过程,必须 加以遏制。 ...电子注入 对于激光尾波场加速来说,首先需要解决的问题就是被加速电子的来源问 题。由于激光尾波场是以激光群速度向前运动的等离子体波,因此被加速电子必 须满足一定的初始条件,即注入电子在移出加速相之前需得到有效加速并被尾波 场俘获,否则电子将无法从尾波场中获得能量并离开尾波场。如图所示, 俘获电子在相空间内的轨迹为闭合轨道鲥,其中尾波场相速度。,尾波场 幅度/磊.。在更一般的非线性情况下,尾波场可以俘获其与等离子体电 第一章引言 子轨道重合区的那部分背景电子删,如图所示,这里%,尾波场幅度 /昂分别为.、.、.、.、.,在图中依次由里向外。 图 线性情况下单粒子轨道相图:不同尾波场幅度的相空间 对于一维冷流体近似下的尾波场结构,当尾波场幅度达到 心一】?时,可以通过波破俘获电子们咖,其电子的俘获能量阈值为 ‰,,由此可见,此时速度为一,,的电子也可以被俘获,即尾波场内的本底 电子也会被俘获。然而,热效应以及二维、三维效应都会降低该注入阈值,但一 般还是需要满足风。,磊。在早期的尾波场加速方面,尾波场幅度都低于该俘获 阈值,但依然有高能电子产生,说明激光等离子体相互作用的一些不稳定过程会 造成俘获阈值的下降钔。 通过尾波场自身注入电子在产生电子束方面不稳定性较大,而且电子束质量 较差。因此,为了获得更加稳定的电子束,人为可控的电子注入方法被不断提出, 并取得了很大进展。这些外部注入方法主要包括光学碰撞注入???们、密度梯度 注入‘‘啊蚓‘、离化注入‘驰‘?叩叫、冷注入等,此外还有通过优化等离子 体的空间分布等途径来实现有效注入“删。另外,为了获得更多的注入电子, 在理论方面也进行了大量研究,但主要都是通过对激光参数的调整实现的,主要 包括调节激光的啁啾状态、采用大的激光焦斑及多束激光?删等。一 关于注入电子的来源问题,理论显示被激光有质动力排开的侧向电子沿尾波 场壁回流至尾部】【??,电子从尾部注入至尾波场。另外,在尾波场演化过程中, 尾波场尾部的曲率半径不断变大,直至最终破裂造成横向波破注入,同样, 电子也是从尾波场尾部被注入的。 激光尾波场加速电子中,参数的有效匹配是能否有效激发尾波场及电子加速 的前提。理论研究发现呻儿引,不同的激光脉冲包络,则需要不同的等离子体匹 配波长。对于正弦型激光脉冲,脉冲宽度与等离子体之间满足 盱册,.旯。; 对于方波脉冲,‰.旯,对于高斯脉冲则为‰.见,这些匹配关 系都是在线性情况下得出的。在非线性情况下,模拟显示最佳匹配发生在激光脉 第一章引言 冲宽度近似为等离子体波长的一半。除了脉冲宽度的匹配外,激光脉冲焦斑也需 要满足一定的条件才能保证尾波场的高效激发,一般情况下需要激光焦斑接近于 等离子体波长%~以,而对于空泡机制,二者满足‘‰?汹,更详 细的模拟显示,最佳匹配焦斑是这里给出的.倍左右。 ..实验方面 早期,受激光脉冲宽度的限制,激光尾波场加速电子产生的电子束都是连续 谱, 量级的电子束总电量在量级。随着超短超强激光的发展, 年出现了近共振区激光脉冲传输与尾波场加速电子的实验埔。年之前,激 光尾波场加速电子产生的电子束都是连续谱,通过聚焦强激光脉冲至气体靶产生 量级的电子束,总电量在量级。年,利用数十太瓦的飞秒激光装 置,美国实验室,英国实验室以及法国实验室率先在近共振 区实验获得了准单能电子束啪?瑚,之后很多实验室都进行了类似实验并产生了 数十至上百的准单能电子束?姗‘矧‘州‘。儿‘‘‘??。年,结合 充气型放电毛细管,在.的距离上利用激光器获得了量级的电 子束哺】两】。随着激光功率的增大,年利用百激光装置在的喷嘴 尺寸上也获得了量级的电子束羽。近年来电子加速方面的主要进展如图 .所示‘】。 ‘ 竹 ?. ? 帕 / ? 。 :磊岳二譬 凸性啊叫/ 刚?炯小?钻洮铆渊 。。? /”’ 口 一/ 帕 曼撼口 叼 / 协 图.近年来尾波场电子加速理论及实验方面的主要进展 尽管在实验上已经获得了能量很高的准单能电子束,但是稳定性较差,这限 制了激光尾波场电子加速器的实际应用。为此,实验工作者们通过采用不同的外 部途径,在实验上实现了稳定的百量级的准单能电子束产生,主要包括采 用毛细管引导激光四‘黼儿、利用高信噪比的激光脉冲钔、两束激光的碰撞注 固.第一章引言 入电子瑚、密度梯度注入电子‘州以及离化注入电子‘洲等。 另外,在尾波场测量方面:利用频域干涉法实现了对激光尾波场的测量,获 得了较清晰的尾波场结构:通过断层测量实现了对激光尾波场加速电场的测 量,电场强度可以达到/绷,远高于传统加速器的/。在电子束 自身特性方面,利用“胡椒粉盒”模型坝量了激光尾波场电子束的发射度为 ..舢?。利用渡越辐射方法测量电子束的脉冲宽度小于捌, 一般情况下尾波场产生的电子束由较短的单能电子束以及较长的本底连 续谱构成亚量级删。激光尾波场不仅能够产生飞秒量级的电子束,在激 光尾波场的演化过程中,激光脉冲光谱的变化导致激光脉冲宽度的变化。实验表 明,在尾波场中,激光脉冲宽度可以由初始的压缩至~?,而且 压缩效率随等离子体密度和作用距离的变化而变化羽。 从这些实验测量结果可以看出,相对于传统加速器,无论是电场的加速梯度, 还是电子束的脉冲宽度、束斑大小以及发射度,激光尾波场都有很大优势。这说 明激光尾波场在台面化射线源的产生??钉刖、成像乜印等方面将发挥传 统加速器无可替代的作用。 .论文安排 本论文主要介绍激光尾波场加速电子的研究工作,除去本章之外,各章节内 容安排如下: 第二章介绍激光尾波场加速电子的相关理论,包括激光尾波场的激发产生, 尾波场电子的注入方式,尾波场电子加速距离的限制因素以及电子加速实验 的定 标关系等。 第三章是在超短超强激光装置.上进行的电子加速实验研究,重点 介绍利用喷气靶产生准单能电子束以及大电荷量电子束;针对实验结果对 进行实验标定,验证大电荷量测量的可靠性;对实验结果进行模拟分析,研 究激光脉冲的演化以及准单能电子束产生的详细物理过程。 第四章针对喷气靶电子加速中出现的不足,理论研究放电毛细管在引导激光 脉冲方面的应用,并结合磁流体模拟对等离子体通道的形成过程进行细致研 究, 通过方程计算毛细管充气过程中的流量控制。 第五章介绍毛细管放电电源、毛细管及其充气系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制作;在整个系统 的基础上对放电毛细管产生的等离子体密度进行定标测量;在.激光装 置上进行了首轮毛细管电子加速实验,获得了的激光引导以及高能电子 束,并对结果进行了初步分析;针对首轮实验中出现的问题,通过对毛细管充 气 第一章引言 过程的流体模拟,提出对毛细管的下一步改进。 第六章为论文的总结和展望,对全文内容进行总结,并讨论了下一步改进及 后续研究方向。 参考文献 , 】 ,.. 】 , , , , ... ,. 【】【】 ,.【】盛政明,相对论强激光与等离子体相互作用,绵阳 】孟绍贤,物理学进展. 【】 .. .. , , 【】 【】吴玉迟,激光团簇聚变中氘团簇的产生及特性研究,硕士论文,四川大学 】王磊,团簇靶特性及激光团簇靶相互作用离子发射研究,硕士论文,四川 大学 【】刘猛,含氘团簇在超短超强激光场中库仑爆炸与氘离子能谱研究,硕士论 文,四川大学 【】 ,... 【】焦春晔,飞秒激光等离子体相互作用中自生磁场的实验研究,硕士论文, 四川大学 】,? 】谷渝秋,超热电子属于及相关实验研究,博士论文,中国工程物理研究院 .. , , 【】 , .. , 【】 , , 【】李勇,超短超强激光离子加速实验研究,硕士论文,中国科学技术大学 】 ,..., , , 【】 ..... 】 , 第一章引言, ,., , , .... 【】. , 【】 , , . . .【.,...,, , , 【】 ,..【】 , , , .., 【】 , ,, 【】 ,... , , ,. ,. , , .. ,, 】 .., , , 】 .... ,. 【】 , , 】 , , ,. 【】 , ,... 】 , , , ,... . , , 】 ,】 , , , , , , 【】 , .. ..,.,.., ,... 【赵籍九,尹兆升,粒子加速器技术,高等教育出版社 【 , ,. , , 【】 ,..:.... ,... 【】 . , , , 【】 ,】 .... ,, 】 , ,, , 【】, 【】 ,... . . . , 【】 , , 【 】 ....,..】 第一章引言 【】 ,.. 【】 .. 【】 .. , .. 【】 , , 【】 ,... 】 , ,... 【】 , ,... ,... 【】 【】 ,... 【】 .. , 【】 , , ,... , , ,.. 【】 , . , , , , ... 【】 , , 【】 , ,..., ..】 , , 【】 ,... . .】 ,, , , ,..【】【】 ?, ,.. , .... , ,... 【】 【】 , ,. 【】 ,...【】 ,... 【】 ,..., ,..【】 ,.【】 ,】 . ... 【】 , , , , ... 【】 , , 】 , .. ., ,..., . 【】【】 ., ,. 第一章引言. , , ,.. 】 , , .】 ,, .. 【 】 , ...】. 【】陈民,盛政明,马燕云等,物理, 】 , , ...., , , ,, 】 , , , ,... 【】 【】 , , ,... , ,... 【】 ,, 【】 , ,... , , , 【】 ,.【】..,.,., ,... 【】 , , , ,... , 【】 ,... , ,... 【】 , , 【 】 , , ,... . , , , ..】 , , 】 , .., 【】 , , .., , , .. 【】 , , ,...】 . , , 】 , .. , , , .. 【】, , , ,..】 , , 】 , ,.,... 】 , 【】, ,,. , , 【 】 , ..第一章引言 【】 , , , ,... , , 【 】 , ,..., , , ,... 【 , 【 】 , , ,..., , , , 【 】 .. . , , , , ... 【】, , 【】 ,... , , ,... 【】 ,,【】 , , ,... 【】 ,, , ..,, ,【】 ,.. , , , ,... 【】 , , ,... 【】 , , , ,... 【】, , , ,... 【】,.., 【 】., ,... 】..,..., ,..., , , ,...【】 第二章激光等离子体相互作用 第二章激光等离子体相互作用 .激光等离子体相互作用中的非线性过程 .’.自聚焦 由于实验过程中的激光脉冲都被聚焦至很小的焦斑尺寸,因此其不可避免的 会发生衍射效应即自然散焦,这会对激光脉冲的传输造成很大的不利影响, 此时往往需要采用不同途径来维持激光脉冲的有效传输,这些途径有的依赖 于激 光本身自引导,有些则需要设置特定的外部环境外部引导。前者简单方便, 容易实现,但效果有限,后者实现困难,操作复杂,但可以实现各种需求。常见 的自聚焦主要包括两方面:相对论自聚焦及有质动力自聚焦。在冷流体非磁 化等 离子体近似下,考虑电磁波在稀薄等离子体中的传输即瑶国:,则其色散 关系为棵?:,当激光脉冲的功率密度达到.以上时,电子在激 光场中的振荡速度达到相对论量级,此时该色散关系需要进行相对论修正, 即 簖国:/。则等离子体折射率可以表示为: . 兰?? 鳓 其中?币为激光脉冲的相对论因子,口。为激光场的归一化矢势。从 上面的表达式可以看出:相对论因子的改变与等离子体频率即电子密度的改 变都可以带来折射率的改变,从而导致激光传输特性的变化。两种途径分别 称为 相对论自聚焦与有质动力自聚焦,二者对激光脉冲在等离子体中传输特性的 影响 如下: ?啼 ‘ ‘/\。 ?? ./’ 『 ?一 图自聚焦示意图锄 、当激光强度足够强达到相对论量级时,相对论因子对等离子体折射率的 修正不可忽略。对于常见的高斯脉冲激光来说,其中心强度最大,外围强度逐渐 降低。因此,相对论因子的修正导致等离子体沿激光轴线的折射率最大,向两边 依次递减,此时的等离子体相对于激光脉冲来说相当于透镜作用,使激光脉冲向 第二章激光等离子体相互作用 折射率大的地方折射传输,最终实现激光脉冲在等离子体中的自聚焦传输。该机 制需要激光功率达到一个阈值功率口?? ./。,该效应引起的自聚焦传 输会超过激光脉冲自身的自然散焦效应,顺利传输多个瑞利长度。该效应本质上 是激光脉冲相对论效应对等离子体频率的改变。 、如前所述,当激光强度达到相对论量级后,激光脉冲的有质动力会把电 子从高强度区排开,使等离子体密度的空间分布发生变化,进而影响到等离子体 折射率的变化,该折射率的变化反过来又影响到激光脉冲在等离子体中的传输特 性。在这种情况下,激光脉冲的有质动力把电子沿轴向向两边排开,而离子由于 质量较大而基本维持静止状离子在激光强度达到 七时才会在激光场作 用下运动,或者在及长脉冲激光作用下通过其他途径运动,产生电荷分 离,从而导致电子密度的变化,即中心等离子体密度降低两边密度增加,对应中 心折射率增大两边折射率降低,同样可以实现激光脉冲在等离子体中的自聚焦传 输。该机制本身很难实现引导,需要与相对论自聚焦共同作用,进而降低阈值功 率为 ./。,该效应本质上是激光脉冲有质动力导致的电荷分离。 虽然说有质动力自聚焦能够引导超强激光,但由于电子对有质动力的响应存 在弛豫时间/。,所以对于超短脉冲即脉冲宽度小于等离子体周期/。 来说该效应的效果是相当有限甚至是无效的。此外,相对论及有质动力自聚焦还 依赖于激光脉冲的非线性演化,这限制了两种引导方式的引导效果啼?州?,而对 于长脉冲激光又面临着自调制不稳定性的影响。鉴于这些局限性,在激光等离 子体相互作用中,最有效方便的引导途径是外部引导。 ..光谱变化 激光等离子体相互作用中,由于受到等离子体的调制,其光谱会发生变化, 主要包括:红移、蓝移光子加速、光谱移动等。光谱变化在分析激光等离子 体相互作用中起着重要作用。 可以想象,激光光谱的变化来自于激光脉冲相速度的差异。从冷流体近似下 电磁波在非磁化等离子体中传输的色散关系缈:出发,结合折射率表 达式刁一国:/西,给出电磁波在等离子体中传输的群速度及相速度为: , / 可以看出,脉冲相速度及群速度会随着等离子体折射率的改变而改变,并最 差?且间隔一个激光波 终影响到激光光谱的变化。假定两个相前 长的光波,传播一个激光波长后,其相前变化?,。必然导致光波波长的改变, 假 第二章激光等离子体相互作用 定参去誓,则有: 亿, 叱旯誓警 从相速度表达式可以得出口一,代入方程.可以给出: . 塑:一鸳塑 . 一? 班 矿比 另一方面,由折射率表达式可以得出: ,, .玎。 塑:一婴塑:一 一?一 表达式.及.显示:折射率的空间变化会导致光波波长的改变, 而折射率的时间变化必然导致光波频率的变化。在激光等离子体相互作用过程 中,有很多种方法可以导致等离子体介质的折射率发生改变,如电离过程、激光 尾波场等。对于激光尾波场来说,其本身就是等离子体密度的时空变化,在尾波 场的前半周期内存在,其造成激光光谱的红移,而在后半 周期则/,造成激光光谱蓝移。频率的改变预示着光子能量 的改变,即所谓的“光子加速”及“光子减速’’,在光谱上则显示为激光脉冲光 谱的红移及蓝移阳。总之,在激发尾波场的过程中,光谱变化可以分为两个阶段: 一、激光脉冲的能量向尾波场的转移,导致脉冲前沿被侵蚀以及脉冲前沿能量的 降低,由于光子数守恒,因此出现红移;二、在后半周期脉冲光谱出现蓝移。 表.激光稀薄等离子体相互作用中常见光谱变化? 光谱特征 原因分析 没有光谱变化 激光等离子体没有发生明显的相互作用 只有红移 激光脉冲激发产生尾波场,但脉冲宽度小于 等离子体波波长的一半 红移和蓝移 激光脉冲激发产生尾波场,但脉冲宽度与等 离子体波波长相当 只有蓝移 激光脉冲能量主要用于离化产生等离子体 主要发生了散射不稳定 分离峰 另一种造成光谱变化的常见机制是离化蓝移??即只造成蓝移。离化蓝移有 两种途径,一是正啁啾脉冲激光在离化产生等离子体的过程中前沿被吸收耗散 掉;二是由于激光脉冲强度本身的时空分布不均匀性,导致不同位置电离产生的 等离子体密度不同,其折射率的改变最终导致光谱的移动。离化蓝移的主要特征 第二章激光等离子体相互作用 是激光光谱发生整体蓝移??即中心波长的改变。除了这里列举的两种常见情况 外,还有其他机制也可以造成形式多样的激光光谱变化,如自相位调制羽、高 次谐波产生等‘引。 ..自压缩 无论是红移还是蓝移,都会导致光谱的展宽。根据傅里叶变换知,光谱展宽 会导致脉冲在时间尺度上的减小,即所谓的脉冲压缩。不难理解,激光脉冲压缩 来自于脉冲不同部分在时间上的群速度差异。从群速度表达式可以得出: 一:塑可以看出,当。/时激光脉冲将发生自压缩,对应于前面提到的红移。 如前所述,激光脉冲在激发尾波场的过程中,由于激光能量耦合给等离子体波, 造成脉冲波头被侵蚀掉,或者出现陡化现象砌,二者都在一定程度上造成了脉 冲的压缩。同时,由于在尾波场的后半周期出现蓝移现象,造成脉冲后沿光子速 度的增加,而前沿则由于红移导致光子速度下降,最终导致后沿向前沿追赶,而 前沿向后沿滑移,同样造成脉冲压缩。激光脉冲在等离子体中的自压缩现象已经 被实验所证实引?引。 ..受激散射 在激光等离子体相互作用中,受激散射是一种重要的参量不稳定性 九,其本质上属于激光光子在电子等离子体波上的弹性散射,是一种大振幅激光 光波衰变为电子等离子体波及散射光波的三波相互作用,三者满足. 关系动量及能量守恒: % % 也 其中峨和分别为入射光和散射光的频率波数,?, 为电子等离子体波的频率波数。由于在等离子体中能传播的光波的最小频率 就是等离子体波频率缈。,所以?。,可得到?//。因此受激发 生在咒。/以下区域,激光将能量交给等离子体波的份额是。/。受激 散射的物理机制可以理解为:在入射激光场中振荡的电子发射散射光,其与等离 子体密度成正比,因此对密度涨落比较敏感,散射光与入射光相互作用,再通过 激光有质动力耦合给密度涨落。当密度涨落、散射光波及入射光波满足上面的 .关系时,会出现正反馈的不稳定性,由于该密度涨落对应于电子等 第二章激光等离子体相互作用 离子体波,该等离子体波通过波破及阻尼等方式产生超热电子。 在激光等离子体相互作用过程中往往是上述几种机制同时存在,但可以通过 激光等离子体参数及产生超热电子的时空能谱特性来判断。这些能量耦合机制除 了产生超热电子,有时候还伴随有电子加速,只是加速效率较低。目前随着超短 激光脉冲的出现,通过各种途径激发产生的等离子体波可以提供很强的加速电场 梯度,加速产生高能电子束。目前通过等离子体波加速可以实现量级的高 品质准单能电子束。 .激光尾波场的产生 ..等离子体中的电磁波及等离子体振荡 考虑非磁化冷流体近似下电磁波在均匀等离子体中的传播,方程组 下电场茏及磁场否满足乜?: ?:一塑 掰 成风了岛觞警 消去磁场分量可以得出电场方程:姗×西怕孑譬氏鳓譬:。 其中孑为电导率张量,满足: . ‘一? 假定电场矢量满足:?,.一】 贝:乏×乏×西鳟;.面: 。 其中,;为等离子体介电张量,满足: 。 ” . 占?二一盯 氏 因此电场方程可以进一步化为:一一七譬;】.乏。 第二章激光等离子体相互作用 要使上式有解,则需其矩阵行列式为,即: . 乏乏一霉;: 而电子的运动方程:玑警川一 再结合方程.及.可以给出:也.一而每岳,;一去烀 代入即可得出式子.的行列矩阵: 七三譬占一七三譬占主占 埘孚江 一 鸳占:占:一旦: ‘ 可以看出二者分别代表了波矢的横向及纵向分量,即电磁波本身及静电等离 子体波。化简可以得出二者的散射关系分别为: 西《‖ . 瑶晖 方程.描述了电磁波在冷流体无碰撞等离子体中的传播及静电等离子 体振荡。 从方程.可以给出电磁波在等离子体中传输的群速度,在激光尾波 场电子加速中,激光脉冲所激发的尾波场相速度,。等于该群速度以接近光速 随 激光脉冲一起向前传输。从群速度定义出发: . %面鄙 在稀薄等离子体情况下鳓%,则等离子体波相速度: 第二章激光等离子体相互作用 % ..有质动力 从电子流体的动量方程出发,忽略热压项: 匕?心一一× 其中匕?匕与匕×为方程的非线性项,从其出发可以得出有质动力。同样 考虑线偏振光,在忽略二阶项的基础上可以得出速度表达式为 三扇。代入非线性项为胁: 他?去”驯喇 /《承一意酬×删 利用向量关系晶/岛?岛昂×晶,代入电子流体的动量方程, 合并化简为: /?一 其中, ‘一等憋鳓】,即所谓的有质动力。从这些推导可 以看出,有质动力并不是传统意义上所理解的力,而是由推导引申出来的一 种合 成力,其纵向分量即激光传播方向及横向分量分别来自于洛伦兹力×否 和非线性项屹?。既然有质动力的纵向分量来自于电子在电磁场中受到的洛 伦兹力,那么在洛伦兹力可以忽略的情况下,有质动力的影响是相当有限的。因 此在可以忽略洛伦兹力的弱相对论情况下,有质动力是不存在的,只有在激光强 度达到相对论量级后,激光脉冲的有质动力才发挥作用。 除了前面提到的有质动力加热,有质动力在激发尾波场产生方面也起着重要 作用。当脉冲进入均匀等离子体区域后,有质动力推动电子向前运动,但在脉冲 的后半部分有质动力则表现为相反方向,电子将经历相反方向的运动,最终形成 等离子体波,如图.所示。
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