真空激光有質(zhì)動(dòng)力加速機(jī)制和物理特性的研究.pdf

1、隨著強(qiáng)激光技術(shù)的飛速發(fā)展,利用激光的超強(qiáng)電磁場(chǎng)來(lái)加速帶電粒子(主要是電子)的研究受到了人們的廣泛關(guān)注。本論文集中研究真空激光加速中的有質(zhì)動(dòng)力加速機(jī)制(PAS:PonderomotiveAcceleration Scenario)。PAS通常指如下的相互作用過(guò)程:在真空中強(qiáng)激光脈沖在焦斑區(qū)追上慢電子群,相互作用并加速其中的部份電子。本文系統(tǒng)的研究了PAS的電子動(dòng)力學(xué)特性和加速特性,分析了PAS加速的物理機(jī)理。目前唯一證實(shí)了真空激光加速的實(shí)

2、驗(yàn)即是通過(guò)PAS加速機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。該加速機(jī)制方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)裝置都相對(duì)比較簡(jiǎn)單,容易在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。PAS的研究是激光加速研究的一個(gè)重要分支,在理論和應(yīng)用兩方面都有重要的意義。
　　 PAS的加速機(jī)理在于被加速電子在激光場(chǎng)中所經(jīng)歷的加速階段和減速階段的不對(duì)稱性:與脈沖上升沿相互作用的加速階段發(fā)生在激光焦斑區(qū)附近的強(qiáng)光場(chǎng)區(qū),而與脈沖下降沿相互作用的減速階段發(fā)生在焦斑區(qū)后強(qiáng)度相對(duì)較弱的光場(chǎng)區(qū)(光束的衍射效應(yīng))。因此電子在與激光脈沖相互作用

3、的過(guò)程中獲得凈能量增益。
　　 本論文通過(guò)三維計(jì)算機(jī)模擬程序求解相對(duì)論Newton-Lorentz運(yùn)動(dòng)方程來(lái)分析有質(zhì)動(dòng)力加速過(guò)程中電子在激光場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)行為,探討PAS的物理特性。我們的研究證明了PAS加速機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)真空激光加速電子(在一定條件下真空中慢電子可以被加速到MeV量級(jí),并得到與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果)。結(jié)合CAS加速機(jī)制(該加速機(jī)制利用真空中傳播的聚焦光束存在的低相速度區(qū)域,配合以較強(qiáng)的縱向電場(chǎng),形成天然加速通道實(shí)現(xiàn)真空中

4、的快電子加速),我們可以得到結(jié)論:自由電子(快電子或慢電子)與激光場(chǎng)發(fā)生凈能量交換是完全可能的,有力的說(shuō)明了所謂的Lawson-Woodward定理具有極大的應(yīng)用局限性。同時(shí)我們從理論上分析了有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)模型,包括非相對(duì)論情況下和相對(duì)論情況下的有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)模型,并討論了這些理論模型的適用范圍;同時(shí)也基于有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)模型給出了PAS相關(guān)特性的物理解釋。
　　 通過(guò)理論分析和系統(tǒng)的模擬計(jì)算,本論文研究了PAS的一系列加速特性:如電子束團(tuán)在

5、徑向上的散射呈現(xiàn)各向同性的特點(diǎn)(在激光強(qiáng)度不是很大的條件下);出射電子的能量分布和散射角分布比較彌散;高能部分的出射電子產(chǎn)額比較低等。此外,在本論文中我們還重點(diǎn)研究了真空激光加速的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:有質(zhì)動(dòng)力加速電子的定標(biāo)關(guān)系,得出被加速電子的最大輸出能量與激光強(qiáng)度和激光腰寬成正比,與激光脈沖寬度成反比。并基于光場(chǎng)的有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)模型對(duì)這一由模擬計(jì)算總結(jié)出來(lái)的定標(biāo)關(guān)系給出了物理解釋。我們還對(duì)PAS與CAS這兩種真空激光加速機(jī)制進(jìn)行了比較。

6、　　 此外,我們還研究了真空激光加速的另一個(gè)重要問(wèn)題:被加速電子的出射能量和散射角度的關(guān)聯(lián)。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了在PAS出射電子的能量-角度關(guān)聯(lián)譜中存在分叉現(xiàn)象:即相同能量的出射電子可能分布在兩個(gè)不同的散射角上?；趯?duì)模擬數(shù)據(jù)的分析及光場(chǎng)的有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)模型對(duì)該現(xiàn)象給出了物理解釋。
　　 上述研究不僅可以幫助我們更加深入地了解PAS的物理特性,與我們對(duì)CAS的研究相輔相成完善了對(duì)真空激光加速的理論研究;而且也可以為將來(lái)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研