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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

多脉冲电子束发射度测量

采用多孔板并结合电子束在石英片相互作用产生的契仑柯夫辐射,对以天鹅绒为阴极发射的强流多脉冲电子束发射度和亮度进行了实验研究和测量。实验观测到了有外加磁场条件下的电子束发生旋转现象。对于电子能量为600 kV左右的电子束,多孔板处的磁场小于2.7 mT时,电子束元的偏离已经小于2°。分别测量了天鹅绒阴极发射的强流四脉冲电子束和双脉冲电子束的积分亮度,分别为7.5×107 A/(m·rad)2和4.14×108 A/(m·rad)2。结果表明,双脉冲电子束的积分亮度明显优于四脉冲电子束的积分亮度,进而验证了阴极等离子体对多脉冲电子束亮度具有重要影响,降低了电子束的品质。     

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