Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последнее время активно разрабатываются новые методы ускорения частиц до высоких энергий. Ряд из таких методов связан с ускорением частиц в поле быстрых волн пространственного заряда (ленгмюровских волн) в плазме. Для возбуждения этих волн используют либо короткие (модулированные или неыодулированные) лазерные импульсы, либо короткие сгустки электронов. Если ленгмюроЕСкая волна возбуждается двухчастотным лазерным импульсом, то основанный на данном методе возбуждения ускоритель получил название лазерного ускорителя на волне биений. Соответственно, для одночастотного лазерного импульса ускоритель получил название лазерного ускорителя на кильватерной волне. Проведены первые эксперименты по ускорению электронов волной биений, показавшие высокую эффективность возбуждения волн пространственного заряда и ускорения электронов в поле этих волн. Одной из центральных проблем для дальнейшего развития работ в атом направлении является проблема создания однородной плазмы с хорошо контролируемой концентрацией. Даже малые вариации плотности плазмы могут ухудшать возбуждение волн пространственного заряда, а такжз выводить ускоряемую частицу из фазы ускорения. Как показали первые эксперименты, по ускорению электронов волной биений, обычно плазма существенно неоднородна, поэтому можно сказать, что в предполагаемых экспериментах по ускорению электронов полем кильватерной волны плазма так же будет неоднородной. В настоящее время, вопрос о влиянии неоднородности плазмы на ускорение электронов как в поле волны биений, так и в поле кильватерной волны исследован недостаточно полно и привлекает значительный интерес.
Цель работы: исследование влияния неоднородности плазмы на процесс возбуждения волн плотности заряда лазерными импульсами и
ускорения ими электронов. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:
1. Разработка численного ыоделирования возбуждения нелиней
ных плазменных волн лазерными импульсами в неоднородной плазме
и ускорения электронов в поле этих волн.
-
Построение теории ускорения электронов в поле линейной волны биений в плазме с мелкомасштабной неоднородностью (/-^/^ где Z* - характерный масштаб неоднородности, 1Л - длина ускорения).
-
Построение теории ускорения электронов в поле линейной кильватерной волны в плазме с мелкомасштабной неоднородностью.
-
Исследование зависимости энергии ускоренных электронов
и длины ускорения от плотности плазмы и начальной скорости инжектированных частиц.
Научная новизна. На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов:
-
Численно исследовано возбуждение нелинейной плазменной волны двухчастотным лазерным импульсом как с резким, так и с размытым передним фронтом в неоднородной плазме и ускорение электронов в поле этой волны. Показано, что в случае размытого фронта скачки фазы нелинейной плазменной волны уменьшаются, но сохраняются в области нелинейного резонанса. Электроны инжектированные на определенном расстоянии от переднего фронта импульса наиболее эффективно ускоряются в соответствующем этому расстоянию интервале плотности.
-
Найдено оптимальное расстояние от электрона до переднего фронта прямоугольного импульса, при котором влияние мелкомасштабной неоднородности на ускорение наименее существенно.
-
Показано, что в ускорителе на волне биений нельзя повысить эффективность ускорения за счет специального профиля плотности плазмы и добиться того, чтобы на электрон действовала постоянная ускоряющая сила.
-
Численно показано, что при ускорении электронов в поле кильватерной волны в слое неоднородной плазыы их энергия зависит от расстояния кеяду шпульсом и местом инжекции электрона. При определенном оптимальном для данного профиля плотности плазыы расстоянии, полученная электроном энергия максимальна.
-
Получены выражения для энергии электрона, ускоряемого в поле кильватерной волны, в случае линейного профиля плотности и слоя плазмы, масштаб неоднородности которых /^.4^/. . Сформулирован критерий пренебрехиыга малого влияния вариаций плотности плазмы на процесс ускорения. Показано, что результаты приближенной аналитической теории и точного численного расчета хорошо согласуются между собой.
-
Для лазерного ускорителя на кильватерной волне показано, что за счет малого увеличения начальной скорости электронов moeko поднять темп ускорения и значительно уменьшить размер ускорителя.
Научная и практическая ценность. Результаты диссертационной работы по ускорению электронов волнами пространственного заряда, возбуждаемыми, лазерными импульсами в неоднородной плазме, могут быть использованы в экспериментальных исследованиях.
Апробация работы. Материал, изложенный в диссертации, докладывался на Международной конференции по генерации когерентного излучения и ускорению частиц (США, 1991г.), на Международной конференции по взаимодействию сильных электромагнитных полей с плазмой (Суздаль, 1990 г.), на конференциях факультета физико-математических и естественных наук Университета друдбы народов (1990,
4 1991 г.г.), на Всесоюзном сеиинаре по параметрической турбулентности и нелинейным явлеьияы d плазме (Москва, 1990 г.), а также на научных семинарах SHAH и кафедры экспериментальной физики УДН.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в б печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, приложения, заключения и списка литературы из 67 наименований. Обьсы диссертации составляет 131 страницу.
