非均匀等离子体通道中的激光驱动电子加速

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强激光场物理及其相关前沿新方向是现代物理学引起人们广泛关注的重要课题。高次谐波和阿秒脉冲的产生、强激光在大气中长距离传输和应用、强激光驱动产生超高梯度电子和离子加速、新型光源(从太赫兹辐射到伽马射线)产生、快点火激光核聚变和其他新型激光聚变概念等等,都获得了极大关注。激光和等离子体的相互作用在基础研究方面和技术应用范畴中都得到了极大并且广泛的应用。近年来,随着超短超强激光脉冲技术的发展,利用超短超强激光和等离子体相互作用来实现电子加速的方案也取得了巨大的进展。激光和等离子体的相互作用有非常多的应用,比如说x射线的产生,离子的加速等等。主要的加速方式有:激光尾场加速器,激光拍波加速器以及有质动力加速,并且电子的能量可以达到接近GeV数量级。然而对于较长的激光脉冲,尾场机制的效果不再显著。因此提出了等离子体通道的方法。本文主要讨论了在非均匀的等离子体通道中激光驱动电子的加速。第一章主要介绍了等离子体以及激光的基本概念、特征以及它们在物理学中的应用。着重介绍了激光与等离子体相互作用的研究方法和等离子体通道的产生以及研究方法。第二章主要研究了在二维非均匀平面等离子体通道中,被平面电磁波辐射的单电子的动力学行为。从基本方程的理论推导以及运算出发,我们得到了描述电子运动的动力学方程组。通过调节非均匀密度分布函数的参数得到了不同类型非均匀分布对电子运动方程的影响。进一步通过数值求解电子在通道中的运动方程组,得到了电子在不同类型的非均匀分布中的能量振荡图,以及电子的不稳定区域图。我们讨论了三种不同的非均匀电荷密度的分布,分别是:线性非均匀密度分布,抛物非均匀密度分布以及余弦非均匀密度分布。我们发现在平面非均匀等离子体通道中,电子加速的不稳定性以及电子的能量获得是由激光的极化角和等离子体通道的非均匀参数共同调制。也就是说我们可以通过调制激光的极化角和等离子体通道的非均匀性,从而缩短电子加速的距离并且使电子在非均匀等离子体通道获得更多能量。第三章主要研究了电子在非均匀的柱形等离子体通道中,被平面电磁波辐射的单电子的动力学行为。通过对基本方程的理论推导以及运算,我们得到了描述电子运动的动力学方程组和电子退相率的方程。并通过调节非均匀密度分布函数的参数,得到了非均匀等离子体通道和均匀等离子体通道的区别,以及不同类型非均匀分布对电子运动方程的影响。进一步通过数值求解电子在通道中的动力学方程组,得到了电子在均匀通道中的振荡图以及能量图,并做出了电子在柱形非均匀等离子体通道中的振荡图和推相率的变化图。我们讨论了两种不同的非均匀电荷密度的分布,分别是:线性非均匀密度分布和抛物非均匀密度分布。我们发现与平面二维等离子体通道相比,电子在柱形等离子体通道中的不稳定性变化可以更加迅速且剧烈。与均匀的平面二维等离子体通道相比,在均匀的柱形等离子体通道中,电子可以获得更多能量且加速距离更短。对于柱形等离子体通道而言,电子在非均匀的等离子体通道中的加速效果要明显好于其在均匀的等离子体通道中。因此电子从激光中获得了更多的能量并且缩短了加速距离。对于柱形等离子体通道中的而言,电子在非均匀的等离子体通道中的加速效果要明显高于它在均匀等离子体通道中的加速效果第四章主要给出了本文的总结及该领域进一步的研究前景。
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