强激光加速电子中的辐射反作用效应的研究

论文摘要

随着强激光技术的飞速发展,利用激光的超强电磁场加速带电粒子,并据此发展新一代小型化高能电子加速器的相关研究受到了人们的普遍关注。在之前对于激光加速电子的研究中,电子的辐射反作用效应一般都是被忽略的。然而在超强激光作用下,电子的辐射是否会对加速效果产生较大影响是需要仔细考虑的。本文致力于探讨激光加速电子中的辐射反作用效应对电子动力学和加速效果的影响。本论文首先讨论了辐射反作用问题的描述和计算方法。我们首先考察了经典的非相对论情况,给出了辐射反作用力的计算公式,并说明了经典辐射反作用力计算公式所面临的问题和局限性。然后讨论了将辐射反作用的计算推广到相对论条件下的洛伦兹—狄拉克（Lorentz-Dirac）方程,并给出了实用的计算辐射反作用力的微扰展开式。在此基础上,我们采用了预测—修正（Predictor-Corrector）算法,建立了模拟计及辐射反作用的激光加速电子过程的三维数值模拟程序。通过三维数值模拟,我们首先比较研究了在有质动力加速（PAS：Ponderomotive Acceleration Scenario）过程中,忽略辐射反作用效应和不忽略辐射反作用效应的电子动力学的差异。我们发现对于PAS过程,辐射反作用对电子动力学的影响是非常小的、可以被忽略的。在计及辐射反作用效应后,部分电子的最终出射能量比忽略辐射反作用效应的反而要大一些。然而这种能量的增大相比于我们的计算精度来说也是很小的,这一效应是可以忽略的。我们进而研究了电子俘获加速（CAS:Capture and Acceleration Scenario）过程中辐射反作用的影响,发现对于一般的CAS过程,辐射反作用的影响也是非常小的。随着激光强度的不断上升,由于辐射引起的电子的能量损失的确会逐渐增大,然而即使是a0接近500的超强激光,辐射反作用的影响也是极其有限的。最后通过对辐射反作用力表达式中的各分项的分析,我们给出了不同的计算辐射反作用力的经典方法的适用范围。这项工作对于激光电子加速的研究是个很重要的补充。我们的另一项工作是,针对CAS验证实验设计所面临的困难,提出了一种新型的CAS电子注入器的设计方案。我们设想可以从激光系统中分束出一束激光,使用激光等离子体尾场加速机制产生近单能的电子束团作为CAS加速的入射电子束团。这一方案可以不需要额外的加速器并能解决电子束团和激光脉冲的时间同步问题。通过PIC数值模拟我们在一定条件下得到了能量约20MeV的近单能的电子束团,我们分析了束团特性,并对其不足进行了讨论。另外我们还首次给出了TEM（1,0）+TEM（0,1）模激光在等离子体中激发的尾场的特性。这项工作对于CAS的实验设计有着重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要物理量单位说明
• 第一章 激光加速电子简介
• 1.1 激光技术的发展
• 1.2 激光加速的历史和应用
• 1.3 真空激光加速
• 1.4 激光加速中电子的辐射反作用效应
• 1.5 CAS验证实验的设计
• 第二章 辐射反作用力的描述与计算
• 2.1 辐射反作用力的经典描述
• 2.2 辐射反作用力的相对论形式和近似处理
• 2.3 辐射反作用力的适用条件
• 2.4 辐射反作用力的数值计算
• 第三章 辐射反作用力对有质动力加速（PAS）的影响
• 3.1 有质动力加速模型
• 3.2 计算模型设定
• 3.3 辐射反作用对有质动力加速的影响
• 第四章 辐射反作用力对电子俘获加速（CAS）的影响
• 4.1 电子俘获加速的计算模型
• 4.2 辐射反作用对电子动力学的影响
• 4.3 辐射效应对电子最大能量的影响
• 4.4 辐射效应的理论分析
• 4.5 辐射反作用力的各项分析
• 第五章 新型CAS电子注入器的设计
• 5.1 研究背景
• 5.2 激光等离子体加速简介
• 5.3 PIC数值模拟方法
• 5.4 近单能电子束团的产生
• 5.5 TEM（1,0）+TEM（0,1）模激光产生的尾场
• 5.6 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 在学期间发表论文列表
• 致谢