电子运动轨迹预测方法和存储介质技术

本发明专利技术公开了电子运动轨迹预测方法和存储介质，根据预先确定的相对论电子的幅度参数、相位参数、焦点直径、脉冲宽度和激光脉冲宽度确定飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型；根据所述矢量势模型确定洛伦兹方程和能量方程以及速度分量，根据速度分量获得所述电子在直角坐标系的运动轨迹。本发明专利技术基于在激光脉冲产生的电磁场的驱动下，电子产生相对论振荡和相应的全空间辐射，建立飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型，并通过模型确定电子的速度分量确定方法，能够预测电子的运动轨迹，无需采用复杂、要求很高的实验设备就能获得单个电子模型的发射空间分布的动力学和全部特征，预测得到电子的运动轨迹，且提高了预测精度。

【技术实现步骤摘要】
电子运动轨迹预测方法和存储介质
本专利技术涉及电子运动轨迹预测方法和装置，具体涉及飞秒紧聚焦高斯激光脉冲(FTFGLP，femtosecondtightlyfocusedgaussianlaserpulse)驱动的单个电子的电子运动轨迹预测，属于电子辐射

技术介绍
电子学是一门研究电子的特性、行为以及电子器件的物理学科。它是以电子运动和电磁波及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的。经历了约一个世纪不停息的开拓和发展，现代的电子学已发展成为当代最引人注目的专业和学科之一。众所周知，近十年来，超短距离强激光技术取得了巨大飞跃。同时，激光脉冲的持续时间已经进入了飞秒甚至是秒的时代，这反过来促进了所谓的“高场科学”的快速发展。目前，学者们不仅提出了许多电子加速方案，而且在实验室中采用了激光加速以获得高能电子。与其他加速方案相比，真空中的激光加速方案解决了电子注入的技术难题，具有能量高的优点。然而，高能电子由于其强大的能量而难以控制和破坏，同时容易对设备和实验造成不可挽回的损害，从而影响电子的运动轨迹的预测精度。因此，迫切需要一种模拟电子加速度轨迹的方案来预测电子的运动并确定电子全时运动特性和全空间运动特性。
技术实现思路
本专利技术针对真空中的激光电子加速方案对实验条件要求较高，且高能电子容易对设备和实验造成不可挽回的损害，从而难以确定电子电子运动轨迹的技术问题，提供一种电子运动轨迹预测方法和装置。一方面，本专利技术提供了电子运动轨迹预测方法，设定线性极化的飞秒紧聚焦高斯激光脉冲沿坐标轴传播并且在坐标系原点处有一个初始能量稳定的电子，所述方法包括以下步骤：根据预先确定的相对论电子的幅度参数、相位参数、焦点直径、脉冲宽度和激光脉冲宽度确定飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型；根据所述矢量势模型确定洛伦兹方程和能量方程以及速度分量，根据速度分量获得所述电子在直角坐标系的运动轨迹。进一步地，确定的相对论电子的幅度参数a0表示如下：其中C0数值为0.85×10-9，λ0和I激光的长度和波长。进一步地，所述飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型表示如下：其中a0是幅度参数，表征激光脉冲的强度，是飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的相位参数，C为第一中间参数和CL为第二中间参数，b0是焦点直径；为相应的瑞利长度，b为脉冲宽度，L为激光脉冲宽度。再进一步地，所述飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的相位参数的表示方式如下：其中c0是啁啾系数，是激光脉冲的初始阶段，和明聚焦的波前曲率有关，为波前与光束轴相交的Z坐标曲率半径，是与R(z)有关的古相位移。进一步地，根据所述矢量势模型确定洛伦兹方程和能量方程以及速度分量的方法如下：根据所述矢量势模型确定矢量势在直角坐标系中的分量，表示为：其中ax为矢量势在x轴上的分量，ay为矢量势在y轴上的分量，az为矢量势在z轴上的分量，洛伦兹方程见公式(4)和能量方程见公式(5)，分别表述如下：式中为归一化动量，为矢量势，为速度，γ为能量。经过简单的方程代数(4)和(5)，可以得到微分方程的速度分量，如公式(6)：公式中，ux,uy和uz分别是x,y和z轴的电子速度的分量。a表示加速度，表示加速度增量，也就是对a在x，y，z方向上分别求导数以后再分别乘上各个方向上的单位向量。再进一步地，所述方法在获得速度分量之后还包括：根据速度分量以及高能电子在特定方向发射辐射，确定单位立体角归一化后的单位立体角的辐射功率，根据辐射功率得到所述电子在立体角的运动轨迹。单位立体角的辐射功率如下：辐射功率归一化为e2ω2/4πc，给定电子的延迟时间t′，为高能电子发射辐射方向，R0是从原点到观察者的距离。表示位置矢量，Ω表示立体角，P(t)表示辐射功率。再进一步地，将电子的位置矢量以及从原点到观察者的距离R0定义如下：R表示运动中电子到原点之间的距离，该距离取决于电子时间和原点到观察者的距离。此外，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上技术方案所提供的电子运动轨迹预测方法的步骤。有益技术效果：本专利技术基于在激光脉冲产生的电磁场的驱动下，电子产生相对论振荡和相应的全空间辐射，建立飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型，并通过模型确定电子的速度分量确定方法，能够预测电子的运动轨迹，无需采用复杂、要求很高的实验设备就能获得单个电子模型的发射空间分布的动力学和全部特征，预测得到电子的运动轨迹，且提高了预测精度。附图说明图1为激光场沿轴方向传播示意图；图2为具体实施例中不同脉冲宽度下的电子运动轨迹示意图，其中2(a)为L1和L2下脉冲宽度的电子运动轨迹，2(b)L1和L2脉冲宽度下电子运动的相位示意图；图3为具体实施例中不同脉冲宽度下的电子运动轨迹示意图，其中3(a)为L3和L4下脉冲宽度的电子运动轨迹，3(b)L3和L4脉冲宽度下电子运动的相位示意图；图4为具体实施例中不同脉冲宽度下的电子运动轨迹示意图，其中4(a)为L5和L6下脉冲宽度的电子运动轨迹，4(b)L5和L6脉冲宽度下电子运动的相位示意图；图5为具体实施例中不同脉冲宽度下的电子运动轨迹示意图，其中5(a)为L7和L8下脉冲宽度的电子运动轨迹，5(b)L7和L8脉冲宽度下电子运动的相位示意图；图6为具体实施例中不同脉冲宽度下的电子运动轨迹示意图，其中6(a)为L9和L10下脉冲宽度的电子运动轨迹，6(b)L9和L10脉冲宽度下电子运动的相位示意图；图7为具体实施例中脉冲宽度变化对漂移距离的影响示意图，其中7(a)为漂移距离随脉冲宽度的变化，7(b)为相邻脉冲宽度漂移距离差的变化规律；图8为本专利技术具体实施例提供的电子运动轨迹预测方法流程示意图。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例一、电子运动轨迹预测方法，流程示意图如图8所示，具体包括以下步骤：(1)根据预先确定的相对论电子的幅度参数、相位参数、焦点直径、脉冲宽度和激光脉冲宽度确定飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型；其中FTFGLP的矢量势模型表示为：在此，a0是幅度参数，表征相对论电子的特征即激光脉冲的强度，表达式为：相对论因素γ＝(1-u2)-1/2，u是真空中由光速c归一化的电子速度，式中a0用e/mc2归一化，|A|是矢量势的振幅，λ(μm)和I(W/cm2)分别是激光的波长和强度，m、e的值分别为9.1×10-31kg,1.6×10-19C。式(1)中C为第一中间参数和CL为第二中间参数，其中b0是焦点直径；为相应的瑞利长度，b为脉冲宽度，L为激光脉冲宽度，是FTFGLP的相位参数。(2)根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电子运动轨迹预测方法，其特征在于，设定线性极化的飞秒紧聚焦高斯激光脉冲沿坐标轴传播，并且在坐标系原点处有一个初始能量稳定的电子，所述方法包括以下步骤：/n根据预先确定的相对论电子的幅度参数、相位参数、焦点直径、脉冲宽度和激光脉冲宽度确定飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型；根据所述矢量势模型确定洛伦兹方程和能量方程以及速度分量，根据速度分量获得所述电子在直角坐标系的运动轨迹。/n

【技术特征摘要】
1.电子运动轨迹预测方法，其特征在于，设定线性极化的飞秒紧聚焦高斯激光脉冲沿坐标轴传播，并且在坐标系原点处有一个初始能量稳定的电子，所述方法包括以下步骤：
根据预先确定的相对论电子的幅度参数、相位参数、焦点直径、脉冲宽度和激光脉冲宽度确定飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型；根据所述矢量势模型确定洛伦兹方程和能量方程以及速度分量，根据速度分量获得所述电子在直角坐标系的运动轨迹。


2.根据权利要求1所述的电子运动轨迹预测方法，其特征在于，确定的相对论电子的幅度参数a0表示如下：



其中C0数值为0.85×10-9，λ0和I是激光的长度和波长。


3.根据权利要求1所述的电子运动轨迹预测方法，其特征在于，所述飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的矢量势模型表示如下：



其中a0是幅度参数，表征激光脉冲的强度，是飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的相位参数，C为第一中间参数和CL为第二中间参数，






b0是焦点直径；为相应的瑞利长度，b为脉冲宽度，L为激光脉冲宽度。


4.根据权利要求3所述的电子运动轨迹预测方法，其特征在于，
所述飞秒紧聚焦高斯激光脉冲的相位参数的表示方式如下：



其中c0是啁啾系数，是激光脉冲的初始阶段，和明聚焦的波前曲率有关，为波前与光束轴相交的Z坐标曲率半径，是与R(z)有关的古相位移。


5.根据权利要求3所述的电子运动轨迹预测方法，其特征在于，
根据所述矢量势模型确定洛伦兹方程和能量方程以及速度分量的方法如下：
根据所述矢量势模型确定矢量势在直角坐标系中的分量，表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：田友伟，李凌霄，黄正宇，朱文欣，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32