在多束强激光和等离子体自发产生的电磁场中电子的共振加速

论文摘要

短脉冲、强激光和等离子体的相互作用是当今热门问题,因为它有诸多重要的应用：例如激光压缩惯性约束聚变、快点火ICF的设计、强场物理、X射线激光和新型高能激光等离子体加速器等,而这些都和强激光加速等离子体中的电子有关。首先,本文研究单束圆偏振强激光脉冲对低密度等离子体通道中电子的共振加速。基于单电子模型,利用理论、模拟和实验数据对强激光-等离子体相互作用中自发产生的缓变磁场（包括轴向磁场Bsz和环向部分Bsθ）,与慢变电场（包括径向电场Esr和轴向部分Esz）进行拟合,用数值计算和解析计算解相对论电子动力学方程,分析电子的加速机制。我们发现,电子约束圆周运动频率ωβ与Bsz,Bsθ,Esr,Esz,r（与轴垂直距离）,和vz（纵向速度）有关；电子的共振加速不仅依赖于激光脉冲强度（∝a32）,也依赖于激光频率与%的比值：当比值接近（整数）1,对应于共振加速。Esz对电子从激光脉冲获得的净能量大小的影响并不是线性的,存在着最佳极值点。而后,本文研究在n束相干强激光和自发产生的慢变磁场和慢变电场中,电子的加速。利用参数Bsz,Bsθ,以及Esr的拟合值,用数值法求解单电子的相对论动力学方程。我们发现,电子在每束振幅为a0／n的n束有特定频率差的激光（或相当一束振幅为a0内含n个特定频率差的激光）中被加速和净加速的效果比只用一束振幅为a0的单频激光来得高,这是因为多束相干激光叠加后产生的频率或拍频和电子在激光场及缓变自生电磁场中作圆周运动的频率不断、随机地相互共振的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 等离子体的应用
• 1.2.1 等离子体的应用简述
• 1.2.2 受控聚变能将是人类最理想的新能源
• 1.3 高功率短脉冲、超短脉冲激光器
• 1.3.1 高功率激光
• 1.3.2 短脉冲、超短脉冲激光器
• 1.4 强场激光-物质相互作用概述
• 1.4.1 激光强场相互作用
• 1.4.2 超短脉冲超强激光和等离子体的相互作用
• 1.4.3 慢变强电磁场的产生
• 1.4.4 快点火机制
• 1.5 等离子体的加热和加速
• 1.5.1 等离子体电子的加热
• 1.5.2 激光场对等离子体中电子的加速
• 1.5.3 激光-等离子体加速器
• 1.5.4 等离子体中的离子加热、加速
• 1.6 等离子体的研究手段
• 1.6.1 单粒子模型
• 1.6.2 流体力学模型
• 1.6.3 动力学理论
• 1.6.4 数值模拟,粒子模拟方法
• 1.7 本论文的研究意义和主要内容
• 第二章 强激光和电磁场中电子的共振加速
• 2.1 引言
• 2.2 相对论单电子模型和动力学方程
• 2.2.1 单粒子体系的正则运动方程
• 2.2.2 通道中相对论电子的动力学方程
• 2.3 动力学方程的数值解和近似解析解
• 2.3.1 动力学方程的数值解
• 2.3.2 近似解析解和共振的推导
• 2.3.3 动力学方程的近似解析解和共振
• 2.4 结论、讨论与程序
• sz(=E_sr)在电子净加速中的作用'>2.4.1 E_sz(=E_sr)在电子净加速中的作用
• sz(=|E_sz|≥0)在电子加速中的作用'>2.4.2 E_sz(=|E_sz|≥0)在电子加速中的作用
• 0=1.2入手）'>2.4.3 电子共振点选取（以α₀=1.2入手）
• 0z对电子能量的影响'>2.4.4 电子初始速度v_0z对电子能量的影响
• 2.4.5 单粒子正则运动方程的MATLAB程序
• 2.4.6 单粒子的运动方程主程序
• 2.4.7 单粒子的运动方程计算程序
• 第三章 多束强激光和自生电磁场中的电子加速
• 3.1 引言
• 3.2 激光场和自生缓变电磁场
• 3.3 动力学方程和数值计算
• 3.3.1 动力学方程
• 3.3.2 数值计算与分析
• 3.4 结论与讨论
• 3.4.1 结论
• 3.4.2 讨论
• 第四章 总结及展望
• 参考文献
• 附录一、无量纲与单位标度变换
• 1. 时间量纲变换
• 2. 坐标量纲变换
• 3. 速度、频率、周期、磁场、质量等量纲变换
• 4. 能量量纲变化
• 附录二、拉摩尔半径,左旋光与右旋光
• 1. 等效拉摩尔半径计算
• 2. 左旋光与右旋光的定义
• sz,B_sθ拟合过程'>附录三、B_sz,B_sθ拟合过程
• 附录四、正则运动方程程序说明
• 1. MATBLE程序说明
• 2. 运动方程主程序说明
• 3. 运动方程计算程序说明
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢