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激光等离子体中的电子行为研究

赵家瑞  
【摘要】:本论文的主题为激光等离子体中的电子行为研究,论文的主要工作包括:激光与气体/团簇靶相互作用的电子加速和betatron X射线产生实验,以及基于光核反应方法对激光等离子体相互作用中的电子温度的数值模拟研究。论文由以下四部分组成:一、简要介绍了超短超强激光器的发展以及激光等离子体领域的若干热门研究;二、激光等离子体的电子加速实验研究,并简要分析了我们的betatron实验结果;三、利用光核反应对激光等离子体中超热电子温度的理论研究;四、粒子探测器的调研与NaI探测器的准备。本文中的实验是在“极光Ⅱ号”激光设备上开展的,而数值模拟工作是基于蒙特卡洛程序进行的。具体内容如下: 第一部分从激光的产生开始,简要介绍了激光、等离子体、激光等离子体相互作用过程,并对激光尾波场加速的各种机制进行了概括和总结,同时从传统同步辐射源开始,介绍了基于激光粒子加速器的betatron新型X射线源的产生以及近期国际进展。 第二部分中,我们详细介绍了物理所在XL-II激光器上进行的激光尾场电子加速的实验研究结果,以及相应的数值模拟研究及讨论,并简要分析了我们得到的betatron实验结果。在实验中,我们实现了利用2TW量级激光器产生高品质单能电子束团。模拟结果很好的重复了我们在实验中观察到的现象,同时证实了在这个新的参数空间下所发生的SM-LWFA向LWFA的平稳过渡假设。简而言之,我们的实验和模拟结果均表明,在参数合适的情况下,利用小功率激光器配合中等密度的等离子体一样可以在SM-LWFA机制下产生尺寸小,方向性高、单能性好、具有极小发射度的电子束团。 第三部分主要可以概括为:超短超强激光与等离子体相互作用可以产生高能的超热电子,利用光核反应的方法可以对这部分超热电子的温度进行诊断.本章通过粒子输运程序(MCNP),模拟了超热电子通过轫致辐射产生γ光子,γ光子再分别与~(63)Cu、~(107)Ag、~(12)C等活化材料发生光核反应的物理模型,并根据核素的活化截面数据,计算了不同活化片的放射性活度,得到了~(11)C/~(62)Cu、~(11)C/~(106)Ag活度比与电子温度关系曲线。本章选择了钽靶作为轫致辐射靶,计算得出了入射电子温度为3MeV和6MeV时,轫致辐射最佳厚度在2.4mm附近,根据活化片选择原则,采用~(63)Cu、~(107)Ag、~(12)C材料作为活化片,通过MCNP程序模拟了温度为2~6MeV的超热电子经过2.4mm钽靶产生的高能γ光子,再分别与厚度为3mm的~(63)Cu、~(12)C(~(107)Ag、~(12)C)活化片发生光核反应的过程,从理论上计算得到了~(11)C/~(62)Cu(~(11)C/~(106)Ag)活度比与电子温度关系曲线,实现了利用光核反应对激光等离子体的电子温度的诊断.采用理论模拟的方法实现了激光等离子体产生的超热电子的温度诊断。 第四部分为粒子探测器的调研与NaI探测器的准备。我们对CR39、RCF、MCP、IP成像板和塑料闪烁体的原理和应用作了简要介绍,并对其优缺点进行了分类对比讨论。着重研究了NaI闪烁体探测器系统的原理和标定方法,并从理论和实验两个方面进行了详细的分析。 本论文通过对飞秒激光驱动的电子加速实验研究,对激光等离子体的相互作用过程有了更加深刻理解,并在光核反应方法应用于超热电子温度诊断的可行性和数值模拟计算验证等方面具有创新性成果。


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