激光等離子體尾波場(chǎng)加速電子的理論研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展.TW激光和飛秒激光的實(shí)現(xiàn).超短超強(qiáng)激光脈沖加速帶電粒子的研究也逐步深入。其中.激光驅(qū)動(dòng)等離子體尾波場(chǎng)加速電子的研究是最引人注目的研究熱點(diǎn)之一。近十年來.相關(guān)的理論、實(shí)驗(yàn)研究不斷取得突破性進(jìn)展。目前.激光等離子體尾波場(chǎng)加速電子的機(jī)制被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮⌒突_(tái)式高能電子加速器的備選機(jī)制。
　　 當(dāng)超短超強(qiáng)激光脈沖與等離子體相互作用.激光脈沖的有質(zhì)動(dòng)力擾動(dòng)電子激發(fā)電子等離子體波.并由電子和離子的電荷分

2、離形成縱向電場(chǎng).即尾波場(chǎng)。這種尾波場(chǎng)相速度與激光脈沖在等離子體中傳播的群速度相同。當(dāng)電子通過自注入方式脫離背景等離子體波進(jìn)入尾波場(chǎng).就有可能在厘米量級(jí)的尺度里被加速到GeV。通過理論分析.并結(jié)合PIC(Particle-In-Cell)數(shù)值模擬結(jié)果.我們對(duì)這種加速機(jī)制主要物理過程展開了討論。影響激光等離子體尾波場(chǎng)加速效果的主要有三個(gè)主要因素:尾波場(chǎng)強(qiáng)度、電子注入和作用長(zhǎng)度問題。其中.針對(duì)電子自注入機(jī)制中的等離子體波波破注入的兩種形式:橫

3、向注入和縱向注入的物理過程、特點(diǎn)以及與激光參數(shù)之間的關(guān)系開展了初步的討論。此外.通過數(shù)值模擬.對(duì)通過激光。等離子體相互作用獲得5-20MeV的準(zhǔn)單能電子束進(jìn)行了模擬研究.給出了一些初步可行的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。并對(duì)激光強(qiáng)度、作用時(shí)間長(zhǎng)度等因素對(duì)加速產(chǎn)生電子團(tuán)特性的影響開展了初步的分析。
　　 通常.在激光等離子體加速中采用的都是TEM(0,0)模形式的激光.對(duì)于在這個(gè)加速機(jī)制中高階模激光的應(yīng)用的研究很少。不同模式的激光有不同激光強(qiáng)度分布.

4、并導(dǎo)致了激光有質(zhì)動(dòng)力分布的不同。而有質(zhì)動(dòng)力是激發(fā)電子等離子體波.形成尾波場(chǎng)的重要因素。我們基于2.5維(2D3V)的PIC程序.仔細(xì)研究了TEM(1,0)模激光脈沖在等離子體中激發(fā)的尾波場(chǎng)特性。我們發(fā)現(xiàn)這種尾波場(chǎng)中存在著獨(dú)特的電子回流現(xiàn)象?；亓麟娮訕?gòu)成了一道電子墻.將激光有質(zhì)動(dòng)力形成的電子空泡分割成為兩個(gè)對(duì)稱的電子空泡。通過橫向注入被空泡捕獲的兩束電子束.不同于TEM(0,0)模激光尾波場(chǎng)中的互相纏繞的運(yùn)動(dòng)方式.在TEM(1,0)模激光

5、尾波場(chǎng)中有可能被電子墻分離開來.并使它們各自在一個(gè)小的空泡中被單獨(dú)加速。同時(shí).大量的回流電子提供的附加磁場(chǎng).與加速電子束提供的磁場(chǎng)相疊加.構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)特的空泡內(nèi)空間磁場(chǎng)分布.能對(duì)兩個(gè)加速電子束提供了一個(gè)明顯的電子自聚焦效應(yīng)。通過這種機(jī)制.加速電子束橫向線度由于電子自聚焦提供的很好的壓縮作用.從而最終得到高密度、準(zhǔn)單能、橫向發(fā)射度小的出射電子束。這種利用TEM(1,0)激光激發(fā)的尾波場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及特殊的電子束流加速機(jī)制.是對(duì)激光尾波場(chǎng)加速機(jī)制