非均匀磁场约束条件下的电子束空气等离子体特性

为了揭示大气环境电子束等离子体的性质,基于蒙特卡罗程序包Geant4建立了一个包含电离、激发以及轫致辐射等物理过程的计算模型,用于模拟非均匀磁场约束条件下高能强流稳态电子束的输运特性、以及大气环境等离子体的性质。结果表明:非均匀磁场可以有效控制电子束在空气中的输运轨迹,显著降低电子束的发散;随着电子束在空气中行程的增加,电子束能谱开始展宽并向低能区移动;输运装置出口能量损失比电子束射程末端高2个量级,且随着电子束输运距离的增加,等离子体密度降低;等离子体密度的高低与电子束能量直接相关。     

基于紧聚焦超高斯激光脉冲的大电量低发散度电子束产生

在激光尾场加速中,光学注入是一种有效的可控电子注入机制。然而,低电量、大发散度的电子束特性无法满足实际应用的需要。为获得大电量、高品质电子束提出采用紧聚焦的超高斯激光作为注入脉冲的新型注入方案。研究发现,相比于普通高斯激光,紧聚焦的超高斯激光不仅能够将电子束发散度降低近一个数量级,而且能够保持电子束电荷量不变。通过哈密顿理论模型证实,离轴电子是发散度的主要来源,而紧聚焦的超高斯激光极大地限制了离轴电子的注入,因此有效地降低了电子束的发散度。     

新型金属丝靶电子源实验研究

电子束在基础科学研究、工农业生产和医疗领域发挥了重要作用。提出了一种新型的电子源技术方案:高功率激光脉冲轰击金属丝靶,可以产生大量能量在百keV量级的热电子,一部分热电子在丝靶表面自生电磁场的作用下沿着丝靶运动,丝靶后方可以获得指向性良好的电子束。实验上成功在金、钨和铜丝靶后方获得了电子束团,测量了束团束斑、电荷量和能谱。铜丝靶单发实验收集到的电子束团总电荷量可达3 nC,能量分布在0～240 keV区间内,能谱在100 keV附近呈现峰值。提出了微波压缩方案,设计了2腔微波聚束腔,利用ASTRA对微波腔压缩过程进行了模拟计算。结果显示,可以将电荷量1 nC、长度55 ps的束团压缩至27 ps,满足后续微波加速器对电子源的要求。     

CSR电子冷却系统强流电子束包络的振荡特性

 HIRFL CSR的电子冷却系统是采用强流电子束对重离子束进行冷却。在冷却段漂移管区，由于强流电子束自身的空间电荷场和螺线管磁场的作用，使得电子束的包络发生振荡。通过求解电子束的横向包络方程，研究了强流电子束包络随电子束参数和螺线管聚焦磁场的变化关系。计算结果表明：对于不同的电子束能量和磁场，电子束包络的振荡频率也不相同；在相同的条件下，磁场越强，电子束包络振荡幅度越小，电子束能量越大，其包络的振荡频率也越快。     

CSR电子冷却系统电子束空间电荷效应对电子束温度的影响

 通过求解电子冷却系统中冷却段漂移管区的强流电子束产生的空间电荷场,研究了电子束空间电荷效应对电子温升的影响。结合HIRFL CSR电子冷却系统的典型参数,得到了电子在自身空间电荷场和纵向螺线管磁场组成的交叉场作用下产生的漂移速度和由此引起的附加温度大小,并指出减小电子束空间电荷效应的方法。     

强激光与柱腔靶作用下准直高能电子束的产生

利用二维PIC粒子模拟程序研究了超短超强激光脉冲与柱腔靶相互作用产生的表面超热电子加速现象。采用光强为1021 W/cm2量级的超高斯激光脉冲掠入射进入柱腔靶,在靶的内壁上观察到了GeV量级的表面超热电子。超热电子束被准静态的电场和磁场约束在内壁表面附近,保证了电子束的准直性,发散角仅为1.6°;并且由于超热电子束在纵向激光电场中加速了mm级的距离,激光到高能电子(100 MeV)的转换效率达到了26.6%。另外,通过多参数模拟和理论解析讨论了激光的光强以及横向空间分布对这种表面超热电子加速的影响。     

引导磁场对收集极中电子能量沉积的影响

理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律。研究结果表明:引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用;大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区;增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力。     

低速度零散会切电子枪的设计和数值仿真

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab,Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动,分析了单电子径向速度对零散的影响,并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度,降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真,得到的电子束速度比约为2,速度零散小于2.5%,轴向速度零散小于8.5%。     

漂移管中相对论电子束引导的匹配条件

本文介绍了对连续型相对论电子束的两种引导及箍缩方法:磁场引导和离子通道的静电引导。在线性引导力的假定下,求得了单磁场引导、单静电引导以及同时使用磁场和电场的混合引导的这三种情况下的匹配条件的解析结果。解析公式表明。在混合引导情况下,为了使电子束匹配,当电子束的中和因子线性增加时,相应的引导磁场不是线性地减小。而是抛物线形地减小。本文还使用了模拟束片内电子横向运动的LGERKB编码,通过对N_0个束内电子的模拟计算,求得了电子束包络。电子束的均方根发射度、典型电子轨道、失配和匹配情况下的束内电子相空间分布(相图)及其演变过程等大量资料。线性模拟结果与解析分析结果完全一致。     

电子束发散角的直接测量技术模拟研究北大核心CSCD

切伦科夫辐射是一种方向性极好的辐射,其辐射能量发射方向严格地与带电粒子的运动方向相关,辐射光携带了带电粒子的方向信息,利用这种特性可以进行电子束发散角及其分布的测量。在基于切伦科夫辐射原理的基础上,考虑电子与物质作用时的多重库仑散射、电离等效应,进行了电子束发散角测量的蒙特卡罗数值模拟程序的建模工作,并完成了理想电子束及具有发散角分布的电子束的测量技术模拟工作。大量模拟结果显示,这种测量方法是可行的,具有对电子束发散角分布进行直接测量的能力,并且其测量系统结构简单。     

Long-scale jet formation with specularly reflected light in ultraintense laser-plasma interactions

Long-scale jetlike x-ray emission was observed in a 100-TW laser-plasma interaction. The jet was well collimated with a divergence of 30-40 mrad and continued from the target surface into underdense regions for a distance over 4 mm in the specular direction of the laser light. A two-dimensional particle-in-cell simulation shows an electron acceleration with the specularly reflected laser light and collimation of the electron stream by a self-generated magnetic field, resulting in the electron jet to the direction of the specularly reflected light.     

飞秒激光等离子体中电子热传导现象的数值模拟

采用相对论电磁粒子模拟程序研究了飞秒激光等离子体相互作用中产生的电流密度、电场和自生磁场的发展演化过程。介绍了电子的非局域热输运的基本特性以及激光加热过程中温度烧蚀前沿稠密等离子体子区的预热效应、临界面附近的限流效应,以及冕区的反扩散与限流效应,得到了经典Spitzer-Harm理论描述的电子热传导随自生磁场的演化情形。数值模拟表明:在线性强激光作用下,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用。     

Electron acceleration in the inverse free electron laser with a helical wiggler by axial magnetic field and ion-channel guiding

Electron acceleration in the inverse free electron laser (IFEL) with a helical wiggler in the presence of ion-channel guiding and axial magnetic field is investigated in this article. The effects of tapering wiggler amplitude and axial magnetic field are calculated for the electron acceleration. In free electron lasers, electron beams lose energy through radiation while in IFEL electron beams gain energy from the laser. The equation of electron motion and the equation of energy exchange between a single electron and electromagnetic waves are derived and then solved numerically using the fourth order Runge-Kutta method. The tapering effects of a wiggler magnetic field on electron acceleration are investigated and the results show that the electron acceleration increases in the case of a tapered wiggler magnetic field with a proper taper constant.     

Axially magnetized electron–positron and electron plasma competition on the self focusing of intense laser beam

The spot-size evolution of circularly polarized intense laser beam propagating through the axially magnetized electron–positron (EP) and electron plasmas is discussed, in mildly relativistic and weakly non-linear (a² ? 1) regime. The non-linear current density source terms are obtained by making used of the perturbative technique. The variational principle approach method is applied to the solution of the non-linear Schrodinger wave equation. It is shown that the laser beam spot size decreases for the left and increases for the right handed polarized beams with increasing the external magnetic field, owing to the beam passages inside the electron plasma. Furthermore, it is revealed that the self focusing property strongly enhanced in the EP plasma in comparison to the electron plasma. Moreover, self focusing of linearly polarized laser beam is investigated for EP plasma by superposition of the right and left circularly polarized beams.     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

一种新型加速器

提出了一种新型加速器方案，并对此方案进行了理论分析和数值计算．这种方案加速带电粒子的原理是利用强激光产生的自生磁场与强激光场构成的混合场使粒子得到加速．结果表明，粒子在较短的长度范围内可获得较大的能量． 关键词：     

欠稠密等离子体中诱发的偶次相对论谐波

在自生磁场或背景磁场的作用下,等离子体被磁化.磁化后的欠稠密等离子在超强激光的辐射下诱发相对论相干谐波辐射.由于磁场的影响,诱发的相对论相干谐波辐射中产生偶次谐波辐射.从理论上研究了这一现象,导出了谐波辐射的一般性方程,并特别研究了二次谐波辐射的有关参数 关键词： 二次谐波辐射 自生磁场 强激光 欠稠密等离子体     

A study of the effect of self-generated pressure gradient sources on the resistive filamentation instability

In the field of fast ignition scheme, self-generated magnetic fields via beam resistive filamentation have a significant role in the angular divergence of the relativistic electron beam, which can be affected by the intensity of other self-generated magnetic fields. In this context, the effects of pressure gradient sources arising from temperature and density gradient of the pellet along the beam flow direction are investigated. The results showed that the resistive filamentation instability can be strongly amplified compared to the fully homogeneous plasma. In this respect, for the distance away from the critical surface, the instability is protected for a longer wave number. Also, the beam and plasma properties such as the beam relativistic factor, the beam number density, and the degree of the plasma temperature anisotropy might be effective.     

飞秒激光与等离子体相互作用中自生磁场的热电机制

采用理论分析和数值模拟研究了考虑相对论效应的自生磁场及其产生机制,给出了自生磁场的解析表达式,得到了温度梯度和密度梯度的非共线性所引起的自生磁场空间分布的时间演化关系。数值结果表明,当峰值强度为1019 W/cm2的激光作用于凹形靶前表面时,在等离子体表面领域观察到的自生磁场最大值为51102 T量级,与实验测量结果相符合。     

激光等离子体相互作用中Weibel不稳定性

利用粒子模拟法对超强激光与等离子体相互作用中产生的Weibel不稳定性及其产生机制进行了详细的研究。给出不稳定性的线性色散关系和饱和磁场与各向异性参数之间的函数关系,发现Weibel不稳定性的存在使超强激光在等离子体中激发的自生磁场饱和,饱和自生磁场的存在使粒子速度分布在激光传播方向上表现出各向异性。讨论了Weibel不稳定性的线性和非线性饱和过程,对更好地理解快点火物理中自生磁场的产生、快电子输运等过程有重要意义。