激光尾波场加速器中多功能等离子体通道的理论和数值模拟研究

激光尾波场加速器（LWFA）可实现比通常射频加速高三个量级的加速电场（高达100 GV/m），是具有极大发展潜力的微型加速器和先进光源。利用LWFA产生高质量加速电子束，必须首先解决三个关键科学和技术问题：瑞利散射；电子失相；电子的注入。理论研究指出：特定的径向等离子体密度分布对激光具有引导作用；特定的轴向密度分布则能提高尾波的相速度，缓解电子失相；陡峭的下坡式等离子体密度可以降低电子注入阈值，有利于可控电子注入的实现。本申请项目将通过磁流体力学模拟计算，结合粒子模拟，研究等离子体通道中影响密度分布的原因。设计方案对通道的径向和轴向密度进行调整，实现集光引导、缓解电子失相、降低电子注入阈值于一身的多功能等离子体通道。

激光尾波场加速器的加速电场远高于传统加速器的加速电场，是加速器小型化进程中的最佳选择。但是，要想利用激光尾波场加速器获取单一高能电子束，必须解决好以下几个问题：瑞利散射；电子失相；电子注入。本项目围绕激光尾波场加速器存在的这三个问题，理论研究了可以引导强激光、缓解电子相位失谐、实现电子注入的等离子体通道应该具有的特征，并借助计算机模拟提出实现激光引导、辅助电子注入的有效方法。. 项目研究了等离子体密度下坡梯度和电子注入阈值之间的关系，发现当等离子体密度下坡长度远小于等离子体波长时，可以用另一种机制来解释电子注入，即：部分电子在高密度和低密度两个区域之间来回震荡时，电子从高密度区返回低密度区后，其相位会发生前移，导致电子自发注入尾波场。该机制要求在超短距离内实现等离子体密度的陡降，这是一个艰巨的挑战，在本项目开展之前，激光尾波场加速器中未见成功实现等离子体密度陡降的报道。为了利用等离子体密度陡降实现电子自发注入，我们通过超声速气流形成脱体激波，在一个分子平均自由程内成功实现密度陡降，并利用不同的气流和攻角控制电子的密度梯度，电子密度梯度的有效控制在很大程度上改善了电子束质量。与其它电子注入方法相比较，用激波方法实现电子注入在实验上更简单、更易于操控。. 另外，我们对光引导通道进行了系统研究，针对毛细管放电光引导通道开展了系统的分析和计算。通过研究对引导通道的形成机理有了更清楚的认识。发现，当管内气体流动缓慢时，管壁冷却是导致电子密度轴线最小的主要原因，这样的电子密度分布能够对激光产生会聚作用，有效缓解因瑞利散射而造成的激光能量损失。. 综上所述，我们对电子注入进行了系统研究，分析了陡峭密度下坡注入机制，并利用超声速气流成功实现陡峭密度下坡，开辟了一条实现电子束注入的新途径。同时，对激光引导通道进行了系统研究，揭示了光引导通道形成的机理。