真空激光加速的幾個重要問題的研究.pdf

1、隨著強激光技術的飛速發(fā)展，利用激光的超強電磁場來加速帶電粒子(主要是電子)的研究受到了人們的普遍關注。所在課題組提出了一種新型的真空激光加速電子的機制——俘獲加速機制(CAS：Capture and Acceleration Seerlari0)，發(fā)現(xiàn)對于初始僅為幾MeV能量的電子可以在真空通過與聚焦的強激光束相互作用，一次性獲得百MeV甚至GeV量級的能量增益，而無需對光場進行任何約束。本論文在此基礎之上，針對真空中激光加速電子的幾個

2、重要的前沿性問題做了深入地研究，不僅進一步完善了對CAS機制的理論研究，而且為下一步的實驗工作提供可行性肚方案與參數(shù)選擇的判斷依據。 以前有關CAS的研究局限于線極化激光場。本論文通過系統(tǒng)的模擬計算分析．證實了聚焦圓極化場中也可以實現(xiàn)CAS加速，并且通過對兩類極化場的基本特征與電子動力學的對比分析，發(fā)現(xiàn)了圓極化場中的加速通道具有更為廣闊的入射相空間，從而對于相同的入射電子束團，圓極化場可使更多的電子獲得加速。圓極化場的這一特征主

3、要表現(xiàn)在：其縱場振幅或加速通道呈柱對稱分布；電子的最大出射能量對入射極化方位角的變化不敏感；最大出射能量隨碰撞參數(shù)的變化趨勢更為緩慢；在相空間p<,1>，-θ<,1>中分布著更多的高能輸出電子；關于激光初始相位φ<,0>的CAS平臺相對更平滑等。上述特性直接導致對于實際的具有一定初始橫間發(fā)射度及能量散度的束團加速，在圓極化場中可能獲得更多的CAS出射電子，而且具有較低的能量散度。 通過理論分析和模擬研究，本文還首次指出了圓極化場

4、加速的另一個特點：漱加速電子的“能量飽和”現(xiàn)象，即當激光場強度很高時(通常α<,0> >20比較明顯)，隨著光場強度的增大，電子最大出射能量的增長逐漸趨于緩慢，呈飽和現(xiàn)象。而之前的研究表明，線極化場中的電子相應能量隨激光強度基本呈線性增長趨勢。其物理根源在于圓極化場中的一項縱向磁場力對總和的縱向加速力的削弱作用，文中對此做出了詳盡的解釋。該現(xiàn)象嚴重限制了在激光場強度較大時，圓極化場在CAS加速研究中的應用。本文進而推薦了在圓極化場中實現(xiàn)

5、CAS加速的合理的激光強度范圍。 上述兩項研究結果為在下一步的CAS實驗研究中如何選擇極化場提供了理論依據。 線極化激光場存在兩個加速通道，以前的研究局限于利用與電子入射同側的加速通道。源于實驗條件的要求，本文首次探討了應用另側加速通道實現(xiàn)CAS加速的條件和特點。通過理論計算與模擬分析，發(fā)現(xiàn)具有較高入射動量的電子可以橫向穿越激光束軸而進入到另側的加速通道中進行CAS加速；此種俘獲加速過程具有較大的CAS電子注入動量窗口；

6、而且由于最大出射能量對入射動量不甚敏感，因此在一定程度上可能會有助于降低輸出電子束團的能量散度。這項研究不僅是CAS理論的延伸與擴展，而且有實際的應用價值。我們是根據合作單位美國BNL-ATF(Accelerator Test Facilities)的實驗條件開展此項研究的。它為在該實驗室中開展CAS的驗證性實驗提供了一種合理而有益的實現(xiàn)方案及參考數(shù)據。 CAS加速方案的基本原理是將快電子注入光束的低相速度區(qū)以對電子實現(xiàn)準同步加速。我們

7、還探討了另一種不通過加速通道對快電子直接加速的方案。其基本物理思想是由于快電子在光場中的相對相滑移較慢，部分入射電子當處于光場的加速相區(qū)時，正值在光束的強場區(qū)；而當它們滑相至減速相時，己離開了強場區(qū)而進入強度相對較弱的場區(qū)，從而獲得一定的凈能量增益。通過模擬研究證實了上述直接加速過程確實存在。由于直接加速現(xiàn)象在激光與電子團相互作用過程中普遍存在，因而可看作CAS加速現(xiàn)象的一種補充。兩種加速方案共同說明了所謂的Lawson-Woodwar