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1. 研究目的与意义（文献综述）
目前，粒子加速器不仅为医学、生物学和高能物理等学科研究提供了巨大帮助，而且已经被广泛实际应用于化工、农业生产、医疗卫生等各个领域。由于受到器件击穿阈值的限制，传统射频直线加速器的加速梯度往往被限制在100 mv/m以下，如果要将电子加速到gev或更高的能量，加速器长度(直线加速器)需长达几百米甚至几千米，这将耗费大量资源。因此，发展各种小型加速器非常重要。
激光等离子体加速（lpa）以等离子体为介质，不存在传统加速器中的击穿阈值，其加速梯度只受到等离子体破阈值限制，比传统技术增加了几个量级，可以在较小的加速距离上获取较高的能量，这为未来建造低造价，紧凑型加速器和辐射源提供了广阔前景，如自由电子激光、汤姆逊x射线源、tev能级正负电子对撞机等。1979年，t. tajima和j. m. dawson首先提出了lpa这一全新加速机制。当超快激光在稀薄等离子体中传播时，将会激发等离子体波，这种激光尾波可以捕获并加速电子，产生定向单能、具有更高时间分辨能力的高能电子束。在激光脉宽非常短，强度非常高时，激光尾波加速将进入高度非线性的情形，即空泡机制((bubbleregime)，这样产生的电子束单能性和能量大大提升，这种机制由a.pukhov和j. meyer-ter-vehn在2002年首先在三维pic模拟中演示，并在两年后在实验上实现，为激光等离子体加速电子束的应用打开了希望之门。虽然lpa具有很高的加速梯度，但是由于散射，能量损耗等原因使激光的有效传输距离限制在毫米量级。利用毛细管内放电产生的等离子通道可以有效对激光脉冲进行引导，延长加速距离到cm量级，提高加速效率。2006年，loasis研究组仅使用40tw的激光器，利用3.3cm 长的电离毛细管加速获得1 gev的电子束。2014年，他们又利用9 cm长的毛细管加速得到 4.2 gev 电子束。2019年，毛细管被延长到20 cm, 电子的最高能量纪录再次被提升。截至目前，激光加速已经成功获得能量7.8 gev的准单能电子束和近百 mev的质子束。然而，相比于传统加速器，激光加速离子束具有大散角（~10°），大能散，高峰值流强，以及多价态离子共存等特点，给传输造成了很强的挑战性。
lpa团队正在研究将激光等离子体加速技术开发用于超快电子束泵探头研究，包括相干x射线和非相干mev光子在内的紧凑光源，以及由多个lpa级驱动的高能粒子对撞机等应用。对于所有这些，离子束在短距离，厘米尺度上的传输和聚焦是很重要的。传统的聚焦元件主要有螺线管透镜和四级透镜组，但它们难以满足要求：（1）由于螺线管的聚焦强度反比于离子束的速度因子β的平方，它对非相对论离子具有弱聚焦，因此仅能应用于低能离子束的聚焦；（2）微型四极体的聚焦强度反比于离子束的速度因子，磁场梯度能达到500t/m，但当考虑到需要组合三个强度不同和相反的透镜以实现径向对称聚焦时，有效场梯度会大大减小。这导致有效焦距更长（量级为数十厘米），色散增加。
2. 研究的基本内容与方案
基本内容：在熟悉离子和放电等离子体通道相互作用的物理过程的基础上，推导出等离子体透镜的有效焦距公式，研究离子在毛细管等离子体中的运动轨迹。利用matlab仿真分析等离子体通道对于不同能量、不同入射方向的离子束的聚束作用。
目标：明确激光等离子体加速的基本原理和电离毛细管等离子体通道的制备过程；理解利用电离毛细管等离子体通道进行离子束聚焦的物理原理，得到其焦距公式，计算出具有不同参数的离子束在通道中的运动轨迹。
拟采用的技术方案及措施：
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需资料。学习电离毛细管等离子体的基本原理及利用等离子体聚束的研究进展相关文献资料，完成开题报告。
第4－8周：探究等离子体聚束的基本原理，讨论等离子体密度和所形成磁场的关系；研究电离毛细管等离子密度分布形成方法。
第9-12周：计算离子束参数（能量、初始角度等）对其在毛细管等离子体中的运动轨迹的影响。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 林晨. 激光等离子体加速电子束及光学渡越辐射的实验研究[d]. 北京：北京大学,2011.
[2] j. m. tajima, t., dawson. laser electron accelerator[j].phys. rev. lett,1979,43(4):267-270.
[3] a. pukhov, j. meyer-ter-vehn. laser wake field acceleration: the highly non-linear broken-wave regime[j]. appl. phys. b lasers opt., 2002, 74(4-5):355-361.
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