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拉盖尔高斯激光脉冲驱动的尾场中外注入电子的加速和辐射

拉盖尔高斯激光脉冲驱动的尾场中外注入电子的加速和辐射

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作者：沈众辰上海交通大学

学位级别：硕士

随着超强激光与等离子体物理的不断发展,探索它们之间的相互作用已成为物理学家的一个研究焦点。其中,超短超强激光脉冲在等离子体中激发的尾波场的加速梯度可达100 GeV/m,比传统加速器高了三个量级,掀起了全世界对新型加速器的研究热... 详细信息

随着超强激光与等离子体物理的不断发展,探索它们之间的相互作用已成为物理学家的一个研究焦点。其中,超短超强激光脉冲在等离子体中激发的尾波场的加速梯度可达100 GeV/m,比传统加速器高了三个量级,掀起了全世界对新型加速器的研究热潮。由于其极大的加速梯度,基于激光等离子体尾波的新型加速器有望在桌面尺度产生高能电子束,同时这些电子束在尾场中会产生同步辐射,具有与驱动光脉冲天然同步的特性。这些紧凑的粒子源和辐射源,在物理、生物和材料科学领域可以有着广泛的应用。本论文针对拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)激光驱动尾波场的产生,及外注入电子在其中的加速和辐射,开展了相关的研究。论文主要包括四个部分:第一部分介绍了激光等离子体相互作用中尾波场的激发、多种电子注入机制、驱动激光的导引(包括相对论自导引、预等离子体通道和放电毛细管导引)和理论研究所需的粒子模拟Particle-In-Cell(PIC)。从中可以发现激光尾波能在极短距离内加速电子至极高的能量(Laser Wakefield Acceleration,LWFA);高精度的电子注入方式可以使得被加速电子束具有高的品质;激光的相对论自导引、预等离子体通道和放电毛细管导引可以延长激光的有效传播距离,提升被加速电子束的能量;PIC模拟可以对包含尾波加速在内的激光与等离子体的相互作用给出精确的模拟研究。第二部分介绍了强激光驱动的X射线源和适用于被尾场加速的电子束的辐射计算程序--虚拟同步辐射探测器VDSR(Virtual Detector for Synchrotron Radiation)。由强激光驱动的X射线源具有传统X射线管所没有的诸多优秀性质:其结构更紧凑,辐射强度可以更高、可调谐性好和准直性高等。这类X射线源主要包括K射线源和Betatron辐射源,其中K射线源是强激光与固体靶相互作用中产生的,Betatron辐射源是被加速电子束在尾场里做横向振荡运动产生的。第三部分介绍了激光的发展与不同模式的激光特性,我们主要介绍了拉盖尔高斯激光(Laguerre-Gaussian,LG)和贝塞尔高斯激光(Bessel-Gaussian,BG)的一些特性:如贝塞尔高斯激光具有“无衍射”和“自愈”的特性;拉盖尔高斯激光具有轨道角动量的特性。这些具有特殊性质的激光大大拓展了激光在科学研究和生产生活方面的应用。第四部分介绍了我们论文工作的主要内容,我们综合以上所介绍的内容,通过三维PIC模拟研究了拉盖尔高斯激光驱动的具有圆环结构的尾场对外注入电子的加速和辐射。研究显示在几百微米的加速距离内,被捕获电子的总电量和方位角动量可以稳定地保持不变。并且电子会在尾场中进行低频的回旋运动和高频的振荡运动,从而导致同步辐射(Synchrotron Radiation),其辐射谱主要由电子的振荡运动所决定。不同于通常的尾场中电子束的辐射,在该机制下我们发现远场辐射斑具有轴对称性,通过VDSR程序研究发现这是因为电子束整体一致的横向注入和在环状尾场中的螺旋运动造成的。我们的研究为建立紧凑的激光等离子体加速器和可调谐辐射源提供了新的思路。

关键词：激光尾场加速机制三维PIC模拟同步辐射拉盖尔高斯激光 VDSR

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