【摘要】：近年來,激光尾波場加速(LWFA)作為新型加速技術(shù),因其具有加速梯度高、體積小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)有望實(shí)現(xiàn)臺面化的電子加速器和X射線源而受到關(guān)注。本論文主要介紹了作者在攻讀博士學(xué)位期間設(shè)計(jì)搭建的一個(gè)專門用于LWFA及次級輻射源研究的平臺,并利用該平臺詳細(xì)地研究了加速高品質(zhì)電子束的方案和探索有效產(chǎn)生超快X射線的途徑。論文主要分為以下幾個(gè)部分。第一部分為緒論,主要介紹了LWFA的基本原理及相關(guān)研究的進(jìn)展,然后介紹了基于LWFA的超快X射線的產(chǎn)生方式:背向湯姆遜散射和Betatron輻射,并從經(jīng)典同步輻射模型推導(dǎo)了兩種輻射的特性。第二部分是全功能加速與輻射平臺的研制。首先根據(jù)目前世界上主流的電子加速方案闡述了LWFA參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)則。然后介紹了我們研制的加速與輻射平臺的各個(gè)組成部分及特性。第三部分介紹了電子束品質(zhì)提升的方法。首先比較了相同功率不同初始焦斑激光驅(qū)動(dòng)的自注入LWFA中電子束品質(zhì)的特性。我們發(fā)現(xiàn)相同功率不同初始焦斑激光在相同密度的等離子體中傳播時(shí)雖然最終都會(huì)達(dá)到匹配焦斑大小但加速表象并不相同。大的初始焦斑有利于激光在等離子體中的長距離傳輸,產(chǎn)生的電子束能散小而且更加穩(wěn)定。然后介紹了激光與純氮?dú)獍邢嗷プ饔?研究了全局變量對電子品質(zhì)的影響,通過條件優(yōu)化最終產(chǎn)生了指向、電量、能譜穩(wěn)定的高品質(zhì)電子束。接下來介紹我們提出的一種僅通過合理的設(shè)計(jì)激光和等離子體參數(shù)就可以通過離化注入LWFA產(chǎn)生單能電子束的方案。最后介紹了啁啾脈沖在等離子體中傳播時(shí)對演化的影響,我們發(fā)現(xiàn)通過引入合適正啁啾有利于激光在等離子體中演化的穩(wěn)定,不但提高了電子加速的穩(wěn)定性,而且對提高Betatron輻射臨界能量效果明顯。第四部分介紹了基于LWFA的全光逆康普頓X射線源,首次使用了高激光透過率的純氮?dú)庾鳛榧铀侔胁?獲得了目前最小激光功率驅(qū)動(dòng)的高穩(wěn)定性逆康普頓X射線輸出,為實(shí)現(xiàn)Table-Top X射線源提供了可行性方案。實(shí)驗(yàn)中,通過合理的配比加速激光與對撞激光的權(quán)重實(shí)現(xiàn)X射線產(chǎn)額的提高。最終使用15TW的驅(qū)動(dòng)激光,獲得了4.5×10~7個(gè)光子,其中超過200keV的光子產(chǎn)額約為1.2×10~7個(gè)。
【圖文】：

為高斯光束振幅常量，如果只考慮相對值，可由歸一化條件求出。 為高斯光束束腰。 ( )為高斯光束的束寬，表達(dá)式如下:20 00( ) 1 ( ) 1 ( )Rz zw z w wz w (1.2)其描述了光束的直徑是傳播距離的函數(shù)，而且由（1.1）可知，高斯光束在 z為常數(shù)的面內(nèi)電場振幅以高斯函數(shù) ¤ ζ ( ) 的形式從中心向外平滑地減小。R( )為高斯光束的等相面曲率半徑,表達(dá)式如下：202( ) ( ) [1 ( ) ]RRRzzwR z z zz z z (1.3) ( )為高斯光束的等相位因子，表達(dá)式如下：1 120( ) tan tanRz zzz w (1.4)

為聚焦元件的焦距，， 為光束直徑， 為激光波長。根據(jù)方程 1.5 可知通過縮短焦距，增加光束直徑或者減小激光波長都可以獲得更小的焦斑，理論上高斯光束聚焦可以獲得的最小焦斑為其波長大小。瑞利長度被定義為：2022( )Rw fzD ， (1.6)其物理意義為，圖 1.2，當(dāng) = 時(shí)， ( ) = 。 的范圍為高斯光束的準(zhǔn)值范圍。在這段范圍內(nèi)高斯光束可以近似認(rèn)為是平行的，瑞利長度越長意味著高斯光束的準(zhǔn)直范圍越大。由 1.6 式可知可以通過增加焦距來獲得更長的瑞利長度。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O53;TN24

【參考文獻(xiàn)】

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1 李玉同;飛秒激光等離子體光學(xué)診斷和自生磁場實(shí)驗(yàn)研究[D];中國工程物理研究院;2001年

本文編號：2679170