【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、造價低等優(yōu)點有望實現(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位期間設(shè)計搭建的一個專門用于LWFA及次級輻射源研究的平臺,并利用該平臺詳細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)計規(guī)則。然后介紹了我們研制的加速與輻射平臺的各個組成部分及特性。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雖然最終都會達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氣靶相互作用,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氣作為加速靶材,獲得了目前最小激光功率驅(qū)動的高穩(wěn)定性逆康普頓X射線輸出,為實現(xiàn)Table-Top X射線源提供了可行性方案。實驗中,通過合理的配比加速激光與對撞激光的權(quán)重實現(xiàn)X射線產(chǎn)額的提高。最終使用15TW的驅(qū)動激光,獲得了4.5×10~7個光子,其中超過200keV的光子產(chǎn)額約為1.2×10~7個。
【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 = 時， ( ) = 。 的范圍為高斯光束的準值范圍。在這段范圍內(nèi)高斯光束可以近似認為是平行的，瑞利長度越長意味著高斯光束的準直范圍越大。由 1.6 式可知可以通過增加焦距來獲得更長的瑞利長度。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O53;TN24

【參考文獻】

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1 李玉同;飛秒激光等離子體光學診斷和自生磁場實驗研究[D];中國工程物理研究院;2001年

本文編號：2679170