激光尾波场加速电子的实验研究

论文摘要

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,世界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2.7mmm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20nC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子体通道的形成过程进行详细研究。模拟发现,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围内,放电毛细管都可以产生比较稳定的等离子体通道。四、针对激光脉冲引导所需的预等离子体通道,在国内率先建立了一套完整的充气型放电毛细管系统,其中包括高压放电电源系统、毛细管系统及其充气系统。放电电源可以稳定工作在10kV-30kV,对于目前实验常用的毛细管长度及充气压强来说,这样的电压可以顺利实现毛细管两端的放电击穿。放电电源内置三种不同的电容器,可以保证放电电流的脉冲宽度在200ns-500ns,放电电流200A-500A。这样的放电电流脉冲可以有效促使毛细管内等离子体的产生及等离子体通道的稳定形成。五、在放电毛细管系统的基础上,利用等离子体的Stark展宽效应结合一维的光谱成像系统,对充气型放电毛细管产生的等离子体密度与充气压强之间的关系进行详细测量,给出了二者之间的定标关系。测量结果显示,毛细管轴向等离子体密度与充气压强基本满足线性关系。利用定标关系,在实验中通过调节充气压强就可以方便的控制等离子体密度。六、在建立了充气型放电毛细管系统并对其产生的等离子体密度进行测量之后,在国内首次进行了充气型毛细管的等离子体通道引导及激光尾波场的电子加速实验。在放电情况下,小能量打靶时激光能量透过率偏低。在没有放电的情况下,初步获得了长达15mmm的激光引导,同时还实现了毛细管情况下激光尾波场电子加速中高能电子束的产生。通过对激光脉冲信噪比的对比发现,预脉冲在激光脉冲的引导过程中起着重要的作用。此外,基于较长的激光等离子体相互作用距离,透射光谱中出现了蓝移量较大的平台光谱。为了研究首轮实验中放电毛细管产生等离子体密度较低的原因,在二维情况下对毛细管的充气过程进行详细的流体模拟。模拟显示,目前放电毛细管等离子体密度低的主要原因是较小的毛细管充气孔,通过对毛细管充气孔参数的优化选择,提出了对毛细管的进一步改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 强场物理简介
• 1.2 传统加速器
• 1.3 激光等离子体加速器
• 1.4 国内外现状
• 1.4.1 理论方面
• 1.4.2 实验方面
• 1.5 论文安排
• 参考文献
• 第二章 激光等离子体相互作用
• 2.1 激光等离子体相互作用中的非线性过程
• 2.1.1 自聚焦
• 2.1.2 光谱变化
• 2.1.3 自压缩
• 2.1.4 受激Raman散射
• 2.2 激光尾波场的产生
• 2.2.1 等离子体中的电磁波及等离子体振荡
• 2.2.2 有质动力
• 2.2.3 激光尾波场的产生
• 2.3 激光尾波场中的电子注入
• 2.3.1 自注入
• 2.3.2 碰撞注入
• 2.3.3 密度梯度注入
• 2.3.4 离化注入
• 2.4 激光尾波场中三个重要的特征长度
• 2.4.1 自然散焦长度
• 2.4.2 泵浦损耗长度
• 2.4.3 失相长度
• 2.5 激光尾波场中的能量定标率
• 2.5.1 线性区
• 2.5.2 非线性区
• 参考文献
• 第三章 喷气靶电子加速实验
• 3.1 实验设置及诊断方法
• 3.1.1 实验布局及实验条件
• 3.1.2 自散射像的测量
• 3.1.3 Raman散射光谱的测量
• 3.1.4 电子束能谱的测量
• 3.1.5 电子束电量的测量
• 3.2 准单能电子束的产生
• 3.2.1 角分布测量
• 3.2.2 能谱测量
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 大电量电子束的产生
• 3.3.1 实验结果
• 3.3.2 结果分析
• 3.4 积分束流仪的标定
• 3.4.1 标定需求
• 3.4.2 标定方案
• 3.4.3 标定结果
• 3.5 PIC模拟分析
• 3.5.1 模拟参数选取
• 3.5.2 模拟结果分析
• 3.6 本章总结
• 参考文献
• 第四章 毛细管引导原理及数值计算
• 4.1 激光在等离子体中的引导
• 4.1.1 引导需求
• 4.1.2 引导途径
• 4.1.3 激光引导的匹配焦斑
• 4.2 毛细管引导效应的数值计算
• 4.2.1 MHD方程组准解析解
• 4.2.2 MHD数值模拟
• 4.2.3 Bernoulli计算
• 4.2.4 毛细管中的定标关系
• 4.3 本章总结
• 参考文献
• 第五章 毛细管电子加速实验
• 5.1 毛细管及其充气系统
• 5.2 毛细管放电系统
• 5.3 等离子体的密度测量
• 5.3.1 Stark展宽
• 5.3.2 测量布局
• 5.3.3 测量结果
• 5.4 毛细管电子加速实验初步研究
• 5.4.1 实验设置
• 5.4.2 小能量引导实验
• 5.4.3 大能量引导实验
• 5.4.4 透射光谱的测量
• 5.4.5 高能电子束的产生
• 5.5 毛细管的改进
• 5.5.1 充气过程的流体模拟
• 5.5.2 毛细管的进一步改进
• 5.6 本章总结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文情况