关于激光注入产生大电荷量高性能电子束的初步研究

关于激光注入产生大电荷量高性能电子束的初步研究

作者:师大云端图书馆 时间:2015-10-29 分类:毕业论文 喜欢:4240
师大云端图书馆

【摘要】基于超短超强的激光脉冲与低密度等离子体相互作用的激光尾波场加速器因其具有极强的加速梯度受到了人们广泛的关注。电子的注入与捕获是激光尾波场加速器的关键环节,为了实现电子的有效注入,各种电子注入方案被提出,其中包括波自注入、密度梯度注入、高阶电离注入、光学注入等。碰撞脉冲注入是光学注入的一种特殊情况,该方案通过两束相向传播的激光碰撞实现电子的注入。该方案具有极强的稳定性而且能够实现对注入电子束的精确调控,因此在激光尾波场加速器中采用脉冲碰撞实现电子的注入是一种相对理想的方案。然而,在激光尾波场加速器的实际应用中,不仅对其稳定性有着极高的要求,对其产生的电子束的性能也有苛刻要求,即要求电子束具有准直性、高能量、单能性和大电荷量。本论文从理论和数值模拟的角度研究碰撞脉冲注入机制中产生大电荷量高性能电子束的相关问题,分析激光参数之间的匹配关系及其内部的机制。具体工作如下:(1)通过2D3VPIC程序研究高强度的主脉冲下注入电子束的电荷量随注入脉冲强度的变化。与以往的研究不同,一方面我们采用了超短的主脉冲,脉冲宽度远远小于等离子体波波场;另一方面,主脉冲的强度足够高而且焦斑半径足够小,主脉冲激发的等离子体波是高度非线性的等离子体空泡。研究发现当注入脉冲强度超过一定阈值时,注入电子束的电荷量随着注入脉冲强度的增加而减小,这一现象极其不利于大电荷量电子束的产生,因而分析电荷量降低的原因并给出解决方法避免电荷量降低现象的出现对于产生大电荷量的电子束尤为关键。通过理论和数值模拟分析发现,两束脉冲碰撞引起的电子随机运动是造成电荷量降低的根本原因。为了消除电荷量降低现象,采用两束圆偏振的激光抑制电子随机运动的出现。研究发现,当采用两束圆偏振的激光时不仅没有出现电荷量降低的现象而且此时注入电子束的电荷量明显高于线偏振的情况。(2)采用最优主脉冲参数产生大电荷量高性能电子束。研究发现,在碰撞脉冲注入机制中,当主脉冲功率一定时,主脉冲强度和焦斑半径之间存在一个最优的匹配关系,在这一匹配关系下产生的电子束不仅具有最大的电荷量而且具有最好的单能性;同时还发现,这一最优匹配关系恰好满足最优空泡的产生条件。主脉冲强度的增加造成注入电子束的电荷量增加,焦斑半径的减小又会造成注入电子束的电荷量减小,两种效应之间主导地位的转变造成了最优匹配关系出现。通过理论分析和数值模拟发现,最优空泡的相空间注入体积最大而且此时出现了束流负载优化效应,因此最优空泡产生的电子束的电荷量最大、单能性最优。我们对不同的主脉冲功率的情况也进行了数值模拟,发现不同的主脉冲功率均存在一个最优的匹配关系而且这一匹配关系均满足最优空泡产生的条件。(3)通过2D3VPIC程序研究束流负载优化产生大电荷量高性能电子束。数值模拟发现在碰撞脉冲机制中,当采用圆偏振的激光脉冲时,增加注入脉冲的宽度既能够增加注入电子束的电荷量同时又能够维持极好的单能性。分析发现,束流负载优化是产生大电荷量高性能电子束的原因。通过一维的非线性尾波场理论分析了注入电子束的各项参数对束流负载优化效应的影响,研究发现注入电子束的峰值密度对束流负载优化效应起关键作用,而注入电子束的宽度及其在尾波场中位置的变化不会引起束流负载优化效应的消失。通过数值模拟发现当采用两束相向传播的圆偏振的激光脉冲时,增加注入脉冲的宽度不会引起注入电子束峰值密度的变化而仅仅造成电子束宽度的增加和中心位置的轻微移动,因此增加注入脉冲宽度不会引起束流负载优化效应的消失,能够产生大电荷量高性能的电子束。(4)我们提出一种双束主脉冲碰撞注入方案产生大电荷量高性能电子束。通过2D3VPIC模拟研究发现,采用双束主脉冲结构产生的注入电子束不仅在电荷量上远远大于单束主脉冲情况而且在单能性上也远远优于单束主脉冲情况;同时发现,双束主脉冲结构产生的电子束的单能性对注入脉冲强度变化不敏感,因此我们可以通过改变注入脉冲强度调节注入电子束的电荷量而不必担心由此造成的电子束单能性变差。除此之外,我们还分析了激光偏振对双束主脉冲碰撞结构的影响,同时对主脉冲间距的影响也进行了研究。(5)通过2D3VPIC程序研究了两束相向传播的等离子体空泡的碰撞动力学。详细描述了两个空泡的合并过程以及电子的动力学演化过程,并使用理论模型对电子动力学演化过程进行了理论分析。
【作者】邓志刚;
【导师】应和平;王新刚;
【作者基本信息】浙江大学,理论物理,2014,博士
【关键词】激光尾波场加速器;超强超短激光;激光尾波场;电子的注入与捕获;光学注入;碰撞脉冲注入;等离子体空泡;随机加热;束流负载效应;

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