【摘要】：隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展,使得利用激光等離子體相互作用產(chǎn)生新型臺(tái)面型粒子源和輻射源成為了研究熱點(diǎn)。這些源與傳統(tǒng)源相比具有尺度小、方向性好、造價(jià)成本低等特點(diǎn),從而在慣性約束聚變、新型粒子加速器、醫(yī)療診斷和國(guó)防建設(shè)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。本文采用理論分析和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了激光等離子體相互作用中的尾波場(chǎng)電子加速和輻射產(chǎn)生。論文的主要研究?jī)?nèi)容包含以下三個(gè)部分:第一部分(第二至第四章)研究了激光與等離子體相互作用中的尾波場(chǎng)電子加速。首先,研究了利用增加固體薄膜靶的方法增強(qiáng)尾波場(chǎng)電子注入的方案。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣體靶前放置固體薄膜靶時(shí),超強(qiáng)激光首先與薄膜靶相互作用,此時(shí)激光焦斑內(nèi)的薄膜靶電子能夠獲得較大的縱向動(dòng)量,導(dǎo)致它們被透射激光激發(fā)的空泡俘獲并加速。固體薄膜靶在加速過(guò)程中主要有兩個(gè)作用:其一,一部分被激光有質(zhì)動(dòng)力加速的薄膜靶電子由于其較高的縱向動(dòng)量被空泡結(jié)構(gòu)俘獲并加速,即為電子注入提供額外電子源。其二,由于相對(duì)論自誘導(dǎo)透明效應(yīng),薄膜靶能夠?qū)︱?qū)動(dòng)激光波形進(jìn)行調(diào)制,陡化透射激光上升沿,這樣的激光能夠激發(fā)更強(qiáng)的尾波場(chǎng),提高自注入電荷量。與未增加薄膜靶情況相比,總的俘獲電荷量提高了兩倍。其次,研究了近紅外和中紅外激光對(duì)尾波場(chǎng)電子加速的影響。研究表明,對(duì)于一個(gè)固定功率的激光系統(tǒng),長(zhǎng)波長(zhǎng)激光能夠提供更強(qiáng)的有質(zhì)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)強(qiáng)的等離子體波,使背景電子更加有效發(fā)生自注入。隨著驅(qū)動(dòng)激光波長(zhǎng)的增長(zhǎng),電子自注入過(guò)程發(fā)生時(shí)間越早,等離子體自注入密度閾值越低。在驅(qū)動(dòng)激光功率為100TW條件下,驅(qū)動(dòng)激光波長(zhǎng)從0.8μm增長(zhǎng)到4.0μm,俘獲電子數(shù)目增強(qiáng)近60倍。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下,利用激光波長(zhǎng)為2.0μm的激光獲得了兩束低能散的準(zhǔn)單能電子束。再次,研究了拉蓋爾高斯激光驅(qū)動(dòng)環(huán)形尾波場(chǎng)中離化注入電子束的加速和演化過(guò)程。研究表明,拉蓋爾高斯激光具有環(huán)形的橫向強(qiáng)度分布,能夠產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的尾波場(chǎng)結(jié)構(gòu)。激光的部分軌道角動(dòng)量能夠傳遞給離化注入電子,導(dǎo)致俘獲電子束在尾場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)加速。然而,在剩余動(dòng)量和尾波場(chǎng)聚焦力的共同作用下,環(huán)形電子束不同位置的電子具有不同的旋轉(zhuǎn)方向。由于較小的初始離化動(dòng)量,離化電子無(wú)法在環(huán)形尾場(chǎng)中進(jìn)行多周期螺旋加速,只能沿著激光極化方向堆積,形成密度不均勻的環(huán)形電子束。定標(biāo)模擬表明通過(guò)調(diào)整激光脈沖焦斑,能夠控制電子束的橫向半徑和電荷量,且激光強(qiáng)度和等離子體密度對(duì)環(huán)形電子束半徑影響較小。最后,研究了拉蓋爾高斯激光驅(qū)動(dòng)尾波場(chǎng)中多橫向結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和過(guò)渡過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn),在合適的參數(shù)條件下(較低的等離子體密度或者較小的激光焦斑尺寸),環(huán)形尾波場(chǎng)的內(nèi)鞘層電子會(huì)在空泡前面重合,外鞘層回流電子則在環(huán)形空泡尾部中軸位置堆積,其軌跡相互交叉,最終形成類鈴形的中軸空泡結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)具有縱向加速場(chǎng)和一個(gè)類似顛倒三角形的聚焦場(chǎng)。這種多橫向尾波場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)加速線形和環(huán)形電子束,并且能夠通過(guò)調(diào)整等離子體和激光參數(shù)來(lái)控制從僅有中軸線形電子束到僅有環(huán)形電子束的過(guò)渡過(guò)程。第二部分(第五章)研究了激光與氣體靶作用中的Betatron輻射,并基于激光尾波場(chǎng)離化注入機(jī)制,提出利用雙色激光產(chǎn)生可調(diào)諧X射線的方案。研究表明,通過(guò)調(diào)整注入激光的偏軸距離和極化方向,能夠控制加速電子在尾波場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而產(chǎn)生高度可調(diào)諧強(qiáng)度形狀和極化特性的輻射。當(dāng)注入激光偏軸距離與離化電子的橫向動(dòng)量相匹配時(shí),能夠產(chǎn)生強(qiáng)度形狀為圓環(huán)形,極化分布對(duì)稱的X射線輻射。環(huán)形輻射的峰值亮度能夠達(dá)到1.3×10~199 photon/s/mm~2/mrad~2/0.1%BW。而且,模擬中的激光和等離子體參數(shù)在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下是可以實(shí)現(xiàn)的,這為以后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了切實(shí)可行的方法。第三部分(第六章)研究了激光與固體靶作用中的高次諧波產(chǎn)生,提出利用相對(duì)論超強(qiáng)激光與固體閃耀光柵靶作用定向增強(qiáng)高次諧波輻射的方案。研究表明,這樣的光柵靶不僅能夠選擇光柵頻率整數(shù)倍階次的諧波,而且沿著驅(qū)動(dòng)激光局域反射方向的輻射強(qiáng)度能夠增強(qiáng)和輻射區(qū)域能夠增大,通過(guò)裁剪局域閃耀結(jié)構(gòu)能夠調(diào)整定向增強(qiáng)的方向。理論和電子動(dòng)力學(xué)分析表明,可選擇性和定向性源于多周期激光與光柵靶作用的相干疊加效應(yīng)和光柵單凸起結(jié)構(gòu)的電子能量增強(qiáng)效應(yīng),該研究結(jié)果有利于激光固體靶高次諧波的產(chǎn)生和應(yīng)用。
【圖文】：

圖1.3粒子模擬基本原理[19]方法的設(shè)想是：假設(shè)大量帶電粒子具有初始空間位置和速度，對(duì)它出等離子體的空間電荷密度和電流密度，再由麥克斯韋方程求得空后求解粒子運(yùn)動(dòng)的洛倫茲方程，求出對(duì)每個(gè)帶電粒子的加速度、速

圖1.4歐洲核子研究中心俯視圖[30]可以大大減小加速器的體積，降低造價(jià)成本[31 34]。光器發(fā)明之后，在1979年，Tajima和他的學(xué)生Dawson率先提子體相互作用激發(fā)等離子體波來(lái)加速電子的設(shè)想[35]。但是由于強(qiáng)度的限制，如圖1.2所示，激光的聚焦功率密度僅為1015W/下，僅適用研究原子物理，激光尾波場(chǎng)加速幾乎沒(méi)有進(jìn)展。隨術(shù)的出現(xiàn)使得激光技術(shù)快速發(fā)展，激光強(qiáng)度很快達(dá)到相對(duì)論區(qū)的粒子加速器提供了新的機(jī)遇。目前，尾波場(chǎng)電子加速按照驅(qū)兩種：激光尾波場(chǎng)加速[36] 和粒子束尾波場(chǎng)加速[37]。而其中粒子束[38]、質(zhì)子束[39] 和正電子束[40] 等。激光尾波場(chǎng)加速的優(yōu)點(diǎn)但是容易發(fā)生相位失諧導(dǎo)致加速距離較短。粒子束尾波場(chǎng)加速相位失諧，可以大大延長(zhǎng)加速距離，但是其加速梯度較小。對(duì)，其加速原理為：當(dāng)超強(qiáng)相對(duì)論激光在稀薄等離子體中傳輸時(shí)動(dòng)力首先推動(dòng)等離子體中電子向前加速，由于離子質(zhì)量較大，止的。這樣就造成了正負(fù)電荷分離，形成電子的空間振蕩，從
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O53;TN24

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9 顧彥s

本文編號(hào)：2609403