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真空激光加速电子的特性研究

陈钊  
【摘要】: 随着强激光技术的迅猛发展,研究利用激光的超强电磁场加速电子,并据此发展新一代小型化高能加速器已受到人们普遍关注。其中,我们研究小组提出了一种新的真空激光加速机制:俘获加速机制(CAS--Capture and Acceleration Scenario)。本论文重点研究了真空激光加速的几个关键课题:激光场的相速度、被加速电子的能量-角度关联、在真空激光加速中使用静磁场,并进一步将这些结论应用到俘获加速机制中。 首先,我们研究相速度,因为相速度在真空激光加速中起着关键作用:位相匹配。我们组首次发现了真空传播的高斯激光束存在低相速度区,这是构成俘获加速机制的核心条件之一。所以我们深入研究了相速度,在经典波动方程的基础上,推导出一个全新的、适用于在均匀介质中传播的波的相速度表达式,并引伸出两个推论。新表达式和推论的核心在于相速度是波的振幅的表达式,对于单频率波来说,相速度可以完全用振幅表示,同时我们证明了低相速度区和高相速度区并存的普遍性,并给出了相应的判断依据。根据公式,我们提出了一个新的、更方便的测量和构造相速度分布的方法。 其次,我们研究了真空激光加速的另一个关键问题:被加速电子的能量角度关联。其中最重要的一点是,通过经典Compton散射我们得到在平面波中电子的能量与角度是一一对应的,然而在实际激光束中,因为纵向电场的存在,该对应关系被破坏,也就是说相同能量的出射电子将会有一个角分布。我们导出了这种关系的表达式,发现这种特性对所有真空激光加速都适用,因为它源自于电子和光子的量子特性,也是聚焦激光的结构特性导致的。 包括俘获加速机制在内的一些真空激光加速机制,要求注入电子的入射角度很小,这导致了电子会与用于聚焦的抛物面镜碰撞。为此,我们提出了一个解决方案:在真空激光加速中使用静磁场。研究表明,只需要加上一个几百高斯的静磁场,就可以偏转注入电子避免碰撞。研究进一步表明,当电子离开焦斑附近的强场区后,外加静磁场将会破坏电子在激光场中加速和减速的对称性,从而使被加速的电子获得更高的能量。 这些研究给出了真空激光加速的一些重要特性,它们不仅是重要的基础理论研究课题,而且对相应加速机制实验方案的设计有重要意义


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