文档介绍：沈阳师范大学
硕士学位论文
激光尾场加速电子机理的研究
姓名:孙洪超
申请学位级别:硕士
专业:粒子物理与原子核物理
指导教师:刘玲
20090501
激光尾场加速电子机理的研究
激光尾场加速电子机理的研究
摘要
近几年来,由于高功率激光技术的不断发展,利用超强激光脉冲与等离子体相互作用
产生高能电子束的研究得到了极大推动。用激光加速带电粒子这个设想早在激光发明的初
期就已经提出来了。由于激光场是横场,这个电场不能在激光传播方向充分地加速带电粒
子。然而在激光和等离子体相互作用中,能够产生很强的电子等离子体波(100GeV /m),
且具有接近真空中光速的相速度,可用来直接加速电子至极高的能量。相对于传统的射频
腔加速器,这种新型的加速器由于以等离子体为介质,可以突破传统加速器中加速梯度小
于100MeV /m的限制。
经过二十多年在激光尾波场加速电子领域不断发展,近年来国际上几个著名的实验室
相继报道了准单能电子束的成功观测,实现了电子束的单能性、电子束能量方面的又一重
大突破,掀起了激光尾波场加速电子研究的新高潮。产生超过 GeV 能量的电子束正是目前
很多实验室在尝试的工作。文章介绍激光尾波场加速电子的相关概念和这一领域的理论创
新进展和一些重要的实验结果。
本文主要就密度减稀等离子体中激光驱动尾场加速电子方案,尝试不同的等离子体密
度减稀模式进行模拟计算,考察不同的密度减稀模式对电子加速的影响。本文从捕获更多
的电子和使电子具有更好的单能性两方面考虑对密度减稀方式进行改进:
(1)共振相位取定值势必在加速开始时甩出一部分电子,考虑使共振相位从加速开
始时较低或者为零逐渐过度到高相位,从而把电子聚束到小的相位范围内,不会被甩出,
实现捕获更多电子的目的;
(2)在实现(1)的同时考虑把电子聚束到合适的相位,从而实现电子束具有更好的
单能性。而且考虑激光在传播过程中会衰减,也为保证能够把电子加速到更高的能量,所
以采用分段的设计。
通过对三种密度减稀模式进行模拟,结果表明密度减稀尾场加速机制的存在和优越
性,也表明适当设计密度减稀尾场加速电子方案可以得到能量高、电荷量大、能散度低的
高品质电子束;模拟结果也说明密度减稀尾场加速电子机制的充分发挥并不要求很高的激
光强度,方便从实验上进行验证。
关键词:激光驱动尾场电子加速等离子体密度绝热减稀数值模拟

I
激光尾场加速电子机理的研究

Mechanism investigation on electron acceleration in the
wakefield of the plasma
Abstract
Studies on the high energy electron beams generated in ultra-intense laser-plasma
interactions have made considerable progress recently due to the development of high power
laser technologies. The proposal of laser acceleration was putted forward in the forepart of the
invention of laser. Because laser is horizontal field, it is not adequately used to accelerate
electron beams. However, laser wakefield(100GeV /m) can be used to accelerate electron beams
to high energy, which is generated as a result of the interaction between laser and plasma and is
provided with phase velocity that is nearly velocity of light. Compared with traditional rf - cavity
schemes its acceleration gradient is three orders of magnitude larger.
Significant progress has been achieved in enhancing the energy and quality of electro