激光尾波场加速电子的实验研究.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论激光尾波场加速电子的实验研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：又董克攻等离子体物理王晓方教授谷渝秋研究员二O一一年五月二日激光尾波场加速电子的实验研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：董克攻等离子体物理王晓方1教授谷渝秋2研究员二。一一年五月二日删㈣pl㈣rwlIlflJllll㈣rIlllY190907。1“1中国科学技术大学近代物理系2中国工程物理研究院激光聚变研究中心L————TheexperimentalstudyofelectronaccelerationbyalaserwakefieldAutho

2、r’SName：KegongDongspeciatity：Supervisor：Finishedtime：PtasmaPhysicsProf．XiaofangWan91Prof．YuqiuGu2May2加，20111DepartmentofModernPhysicsUSTC’ZLaserFusionResearchCenterCAEP／⋯中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所

3、做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：童童坠签字日期：巡红：笸!竺中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。目么开口保密(——年)作者签名：苞色垦作者签名：篮：匕垦签

4、--7-E]gq：ⅪU』!垡导师签名：至望鱼左签字日期：翌![：垂：坌：摘要摘要带电粒子加速器是20世纪最伟大的发明之一，在高能物理及国民经济中发挥着举足轻重的作用，是所处时代高科技的结晶。对于采用射频腔加速的加速器来说，由于受限于射频腔材料的电离击穿，其加速电场被限制在100MV／m之内，由此造成高能加速器庞大的体积及高昂的代价，成为制约加速器向更高能量发展的瓶颈，因此必须寻找更加高效的加速途径。等离子体作为电离介质，本身不存在电离击穿的问题，是一种理想的加速介质。近年来，随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的不断发展，出现了超短超强激光脉冲。这为利

5、用激光脉冲共振激发大振幅的等离子体尾波，进而加速电子提供了新的加速途径。激光尾波场提供的加速电场高达100GV／m，加速产生的电子束脉冲宽度在飞秒量级(<50fs)，电子束束斑大小在微米量级，这些特性都是传统加速器很难实现的。鉴于激光尾波场加速电子的诸多优势，世晃各大实验室都投入大量精力进行研究。本文依据SILEX．I超短超强激光装置进行了激光尾波场加速电子的实验研究，主要工作有：一、利用2．7mm口径的超声速锥形喷嘴产生的中性气体与激光脉冲的相互作用，在国内率先实验获得了58MeV的准单能电子束。对于当时激光装置的工作状态来说，当喷嘴的喷气压强

6、维持在2．5MPa时，有利于激光尾波场加速产生高能电子束。为了详细的研究实验中的电子加速过程及其物理问题，利用PIC程序在大范围的等离子体参数尺度上对激光等离子体相互作用进行模拟分析。结果显示，在考虑了预脉冲对等离子体密度的影响之后，模拟给出的电子束无论在能量大小方面还是在能散方面都是最接近实验结果的。通过对激光脉冲及等离子体波演化过程的细致分析发现，实验中电子束能量较低的原因，是由于在这种情况下激光脉冲需要在更长的空间尺度(～2．3mm)上进行自演化来提高激光强度，而电子在尾波场中真正的加速距离只有0．4mm左右。二、实验产生了总电荷量达20n

7、C的电子束。通过对激光脉冲能量的空间分布及出射电子束角分布的测量发现，激光脉冲能量空间分布的不均匀是导致电子束大电荷量的主要原因，激光脉冲的不均匀主要包括脉冲主焦斑外围的大面积晕区以及多个强度较弱的子脉冲。这样的激光脉冲产生的电子束不是单一的电子束，而是由多束电子构成。为了验证电荷测量的可靠性，对其测量工具ICT进行了详细的实验标定，标定结果显示测量结果是可信的。三、理论研究充气型放电毛细管对激光脉冲的引导，从Bernoulli方程组出发对毛细管充气过程的流量控制进行计算。利用MHD程序对放电毛细管中等离I摘要子体通道的形成过程进行详细研究。模拟

8、发现，充气型毛细管的放电过程可以分为电离击穿过程、通道形成过程及通道稳定过程等三个阶段。详细的模拟显示，在很大的放电电流参数及充气压强范