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超快诊断中时间聚焦与时间放大技术的研究

【摘要】:超快诊断技术(超快电子衍射仪与条纹相机)是惯性约束核聚变、Z-箍缩、同步辐射、光生物学、光化学、X光激光、等离子体物理学和原子物理学等尖端科学研究领域中的核心技术手段。尤其是超快电子衍射仪,其飞秒量级的时间分辨率和皮米量级的空间分辨率,将使人类“分子电影,原子电影”的梦想成为现实。但受光电子初能量弥散和扫描速度(目前最高可以达到2.8倍的光速)等因素的限制,在当前激光技术已经发展到阿秒甚至更快的时代,基于变像管和超快电子衍射仪的超快诊断技术时间分辨率却一直很难突破100fs。 本文介绍了采用时间放大的方法来改善条纹变像管的时间分辨率的模型。时间放大法就是利用在加速栅网上加随时间线性减小的电场来增加电子束中各电子之间的时域距离,使电子脉冲携带的时间信息能够完整的保持并复原,从而达到改善条纹相机时间分辨能力的目的。通过Monte Carlo方法和有限差分法对大量光电子的追踪模拟,条纹相机的时间分辨率提高10倍左右(可以达到66fs),有望进一步拓宽条纹相机在超快诊断领域的应用范围。 同时,本文还介绍了采用时间聚焦的方法来改善超快电子枪的时间分辨能力模型:即在超快电子枪的时间聚焦电极上加随时间线性增加的电场进行电子脉冲波前矫正,使快电子相对变慢,慢电子相对变快,减小电子束的时间弥散,实现电子脉冲的时域压缩,从而提高超快诊断设备的物理时间分辨率。通过Monte Carlo方法和有限差分法对大量光电子的追踪模拟,这种利用随时间变化的电场实现电子脉冲速度调制的方法可以将初始时间弥散为1ps的电子脉冲压缩到35fs,为研制时间分辨能力在fs或者更小时间量级的超快电子枪等超快诊断技术奠定了坚实的基础。同时,本文在理论上对空间电荷效应对电子脉冲展宽作用进行了定性的分析,并估算它的影响大小。

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