Characteristics of ion beams by laser acceleration in the Coulomb explosion regime
在库仑爆炸加速区，具有窄能量范围的离子束呈现具有一定直径的薄壳形状。离子云具有这些具有不同能量的离子束的分层结构。在斜入射激光中，离子束在激光倾斜方向和垂直于激光倾斜方向上的发散角是不同的。这表明激光脉冲的光斑直径越小，离子束的发散度越大。此外，理论公式产生的离子束的半径和能量谱，它们被证明是符合良好的模拟结果。
2022-05-20 physics.plasm-ph
Quasi-monoenergetic Deuteron Acceleration via Boosted Coulomb Explosion by Reflected Picosecond Laser Pulse
National Institutes for Quantum Science and Technology (QST)（量子科学技术研究开发机构）；The University of Osaka（大阪大学）
提出一种由驻波引发的增强库仑爆炸机制，利用预脉冲形成的预膨胀等离子体与反射激光脉冲干涉，实现持续皮秒量级的高强度库仑场，实验上产生高达50 MeV的准单能氘核。
2025-12-10 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coulomb driven energy boost of heavy ions for laser plasma acceleration
激光加速重离子的动能得到了前所未有的提高。用强度为$6\times 10^{19}$ W/cm $^{2}$的超短激光脉冲辐照超薄金箔。利用$1.3$焦耳激光能量作用于靶，获得了动能高达$> 200$ MeV、能量分布带宽受限的高电荷态金离子。$1$ D和$2$ D细胞内粒子模拟显示了对离子电离的空间依赖性如何导致加速电场的增强。我们的理论模型考虑了沿靶法线的变化的电荷密度，并且能够解释高电荷离子的能量提升，从而导致重离子的激光加速效率更高。
2014-12-11 physics.plasm-ph
Anisotropic "charge-flipping" acceleration of highly charged ions from $(N_2)_n$ clusters in strong optical fields
利用二维飞行时间谱研究了分子团簇$(N_2)_n$（$n$ =50-3000）在强光场中的分解。非常高电荷的离子形成具有双组分能量分布。低能、各向同性的成分与库仑爆炸有关。由“电荷翻转”加速机制产生的高能各向异性成分产生能量超过库仑极限的离子。
2003-03-20 physics.atm-clus physics.plasm-ph
Approach towards quasi-monoenergetic laser ion acceleration with doped target
用三维粒子模拟方法研究了激光脉冲辐照含氢和碳的圆盘靶对离子加速的影响。结果表明，用$620$ TW，$5\times10^{21}$ W/cm $^2$激光脉冲可以产生超过$200$ MeV的质子.在聚乙烯（CH $_2$）靶中，质子和碳离子通过辐射压力加速分离并形成两层。在这种情况下，强烈的库仑爆炸和各层之间的库仑排斥产生高能质子。掺杂的靶，碳盘内的低密度氢，变成双层靶，其由高$Z$原子层表面上的薄且低密度的氢盘组成。这就产生了准单能质子束。
2014-02-21 physics.plasm-ph
Thermo-diffusion in inertially confined plasmas
在多个离子种类的等离子体中，诸如压力和温度梯度的热力学力可以经由种类间扩散来驱动离子种类分离。与中性混合物不同，等离子体热扩散与气压扩散相当，甚至比气压扩散大得多。结果表明，这种强烈的影响是由于库仑势的长程性质，而不是在中性气体中的短程相互作用。一个特殊的组合物的氚和3He燃料被确定为具有消失的净扩散绝热压缩过程中，因此提供了一个实验测试中，在ICF内爆过程中，产量退化最小化。
2013-10-30 physics.plasm-ph
Laser Ion Acceleration from Mass-Limited Targets with Preplasma
数值模拟表明，当目标被低密度等离子体电晕包围时，高强度激光辐射与质量受限目标的相互作用会显着增强离子加速度。自生准静态磁场挤压电晕，导致随后的库仑爆炸的目标的加剧。靶边缘的电场增强和等离子体共振效应导致了特征密度空穴的产生，并进一步促进了离子加速.数值模拟表明，当靶被低密度等离子体电晕包围时，高强度激光辐射与质量受限靶的相互作用显著增强了离子加速.自生准静态磁场挤压电晕，导致随后的库仑爆炸的目标的加剧。靶边缘的电场增强和等离子体共振效应导致特征密度空穴的产生，并进一步促进离子加速。
2016-03-14 physics.plasm-ph
Theoretical benchmarking of laser-accelerated ion fluxes by 2D-PIC simulations
目前，在文献中存在许多用于基于激光的离子加速的不同方案。其中一些方案也部分重叠，使得在某些参数制度中难以明确区分方案。在这里，我们提供了一个系统的数值比较以下方案和他们的分析模型：光帆加速度，库仑爆炸，钻孔加速度，和目标正常鞘加速度（TNSA）。我们研究了现实的激光参数和各种不同的目标设计，每个设计分别针对其中一种加速方案进行了优化。作为比较方案的一种手段，我们计算在不同的激光功率下产生的离子电流密度，使用二维粒子在细胞（PIC）模拟，并基准的特定的分析模型，为相应的计划对数值结果。最后，我们讨论了通过研究激光离子加速计划获得高通量的后果。
2016-07-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Self-organizing GeV, nano-Coulomb, collimated proton beam from laser foil interaction at 7 * 10^21 W/cm2
我们报道了一种自组织的准稳定的激光质子加速机制，在7*10^21 W/cm 2的强度下，通过激光箔相互作用产生1 GeV的纳米库仑质子束。结果是从2D PIC模拟，使用圆形偏振光垂直入射到一个平面，500 nm厚的氢箔与高斯横向分布。在驱动脉冲两翼驱动的箔等离子体被分散的同时，在轴上形成一个直径为1 - 2 λ的稳定的中心团。这种稳定性与激光通过机翼区域中箔片的透明部分并包围仍然不透明的中央团块有关。在2D和3D模拟中始终观察到该特征。它取决于具有高对比度的激光脉冲形状。
2009-03-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Structure of weakly collisional shock waves of multicomponent plasmas inside hohlraums of indirect inertial confinement fusions
本研究探索间接惯性约束聚变黑腔内弱碰撞激波的形成与结构特性，揭示静电场主导的离子加速与分离机制及其对内爆效率的影响。
2024-11-17 physics.plasm-ph
Charge separation by standing waves of strongly focused single-cycle terahertz pulses for particle acceleration
本文提出并数值研究了一种利用反向传播太赫兹脉冲驻波分离等离子体电荷，通过库仑爆炸加速离子至亚MeV能量的新方案，适用于超短脉冲中子源。
2025-01-27 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Monoenergetic acceleration of charge-neutralized ion bunches to GeV-scale energies by the combination of a high-current electron beam and an ionization front
Cornell University（康奈尔大学）；Cornell Laboratory for Plasma Studies（康奈尔等离子体研究实验室）
本文提出对向电离前沿加速（CFA）机制，结合强流相对论电子束与电离前沿，可在数米距离内以超250 MeV/m梯度加速微库仑级离子，为紧凑型重离子加速器研发提供新途径。
2026-08-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Simulations of stable compact proton beam acceleration from a two-ion-species ultrathin foil
我们报告了稳定的激光驱动质子束加速从两个离子物种组成的碳箔：较重的碳离子和较轻的质子。多维粒子模拟结果表明，辐射压力导致了物种的快速和完全的空间分离。激光脉冲不穿透碳离子层，避免了质子类瑞利-泰勒（RT）不稳定性。最终，碳离子被加热并在太空中广泛传播。相比之下，质子总是骑在碳离子云的前面，形成一个紧凑的高质量束。我们引入一个简单的三界面模型来解释质子层中的不稳定性抑制。该模型得到了各种化合物箔（如碳氘（C-D）和碳氚（C-T）箔）模拟的支持。研究了碳离子的电荷状态对质子加速的影响。结果表明，随着碳离子电荷态的降低，类RT不稳定性和库仑爆炸都使质子能谱降低。最后，进行全三维模拟，以证明稳定的两个离子物种制度的鲁棒性。
2011-03-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Polarization control of electron injection and acceleration in the plasma by a self steepening laser pulse
我们描述了两个注入机制的背景电子到一个不断发展的等离子体气泡背后的强激光脉冲之间的相互作用：一个是由于整体气泡膨胀，另一个是由于其周期性波动。当强激光脉冲在等离子体中传播形成冲击波时，这两种机制同时发生。等离子体泡沿激光传播路径的周期性波动可以抑制或协同由于气泡膨胀的电子注入。研究表明，自陡激光脉冲诱导的载波包络相位（CEP）控制的等离子体泡起伏产生了一种独特的电子注入器：膨胀相位控制的起伏泡（EPUB）。由EPUB注入的电子束团的纵向结构可以通过激光偏振和功率来控制，从而产生具有超短（飞秒尺度）时间结构的高电荷（多个纳米库仑）高电流（数十千安培）电子束。分析了EPUB产生的高能电子感应加速器辐射的一个很有前途的应用，它具有偏振和CEP控制的能谱和角分布。
2022-10-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Proton energy behavior by variation of the target density in laser acceleration
利用三维和二维粒子模拟方法研究了激光脉冲辐照薄圆盘靶的离子加速问题。将强度为$5\times 10^{21}$ W/cm $^{2}$且持续时间为$27$ fs的$620$ TW激光脉冲照射在双层靶上。通过改变离子密度来执行模拟，即，第一层的电子密度。结果表明，在碳等“轻”材料构成的第一层中，质子能量在一定密度下发生跳跃，即在一定密度以上，靶的库仑爆炸和辐射压加速有效地起作用。此外，即使在相同的电子密度下，激光脉冲从第一层的反射对于“轻”材料来说也是小的。
2017-04-28 physics.plasm-ph
Collisionless Shock Acceleration of protons in a plasma slab produced in a gas jet by the collision of two laser-driven hydrodynamic shockwaves
本研究通过实验比较气体射流在无剪裁、单侧及双侧激光冲击波剪裁下的皮秒激光质子加速，证明双侧剪裁形成的近临界密度等离子体薄片可显著增强符合 CSA 机制的前向高能质子加速。
2023-09-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser ion acceleration by using the dynamic motion of a target
利用三维粒子模拟方法研究了峰值强度为$5\times 10^{21}$ W/cm $^{2}$的620 TW、18 J激光脉冲对圆盘靶的质子加速。结果表明，质子被有效地加速到高能量的“轻”材料在第一层的双层目标，因为强烈的不均匀膨胀的第一层发生的库仑爆炸在这样的材料。此外，一个大的运动的第一层的加速质子产生的辐射压力占主导地位的加速。由这种膨胀和移动的离子云产生的随时间变化的电势有效地加速了质子。此外，使用最好的靶材料，可以产生能量为200 MeV、能量扩展为2 $%$的质子束。
2013-04-23 physics.plasm-ph
Anticorrelation between Ion Acceleration and Nonlinear Coherent Structures from Laser-Underdense Plasma Interaction
在激光等离子体实验中，我们观察到，离子加速从库仑爆炸的等离子体通道由激光钻孔，被阻止时，多个等离子体不稳定性，如双折射和软管，和非线性相干结构（涡/后孤子）出现在一个超短激光脉冲的尾迹。纵向等离子体密度斜坡的剪裁使我们能够控制这些不稳定性的发生。我们推断，在我们的条件下，当等离子体在临界密度的10%左右时呈现出250 μm量级的梯度（高斯拟合），从而阻碍了加速时，激光脉冲被耗尽到这些结构中。一个有前途的实验装置与长脉冲的证明，使激发一个孤立的相干结构的偏振测量，并在进一步的观点，离子等离子体加速效率的参数研究。
2011-10-26 physics.plasm-ph
Electric field dynamics and ion acceleration in the self-channeling of a superintense laser pulse
本文用一维静电有质动力学模型研究了相对论强度的激光脉冲在低密度等离子体中传播时产生电场和离子径向加速的动力学过程，该模型用于解释电场的实验测量[S. Kar等人，New J. Phys. *9*，402（2007）]。离子在空间上聚焦在电荷位移通道的边缘，导致流体动力学破裂，这又导致电子加热和电场中的“回波”效应。在通道的中心区域中的完全电子耗尽的开始导致到“库仑爆炸”制度的平滑过渡和离子加速的饱和。
2008-07-30 physics.plasm-ph
Effects of hole-boring and relativistic transparency on particle acceleration in overdense plasma irradiated by short multi-PW laser pulses
采用包含辐射摩擦的完全相对论、实几何粒子模拟方法，研究了超短超强激光脉冲在半无限高密度氢等离子体中的传输特性。相对论透明和钻孔制度被发现是敏感的横向等离子体场，后向光反射，和激光脉冲偏转。对于接近$I\sim10^{24}$ W/cm $^2$的激光强度，质子的直接激光加速以及离子库仑爆炸导致它们注入激光脉冲前沿的压缩电子波的加速相。质子被加速到10-20 GeV，密度大约是临界密度的几倍。这种效应强烈依赖于初始密度和激光强度，随着初始密度的增加和激光强度的减小，这种效应消失。
2019-04-19 physics.plasm-ph
Coherent radiation reaction effects in laser-vacuum acceleration of electron bunches
分析了相干增强辐射反应对亚波长电子束团与强激光相互作用中运动的影响。辐射反作用力表现为激光束方向上的辐射压力，与垂直方向上的粘性力相结合。由于电子束团的库仑膨胀，相干辐射反应效应只发生在束团小于波长的初始阶段。结果表明，这个初始阶段可以有可观察到的效果上的束的轨迹。通过将系统缩放到更大的聚束电荷，这些效应可以增加到这样的程度，即它们可以抑制通常在有质动力加速方案中发现的径向不稳定性，从而使激光真空电子聚束加速到GeV能量的全部潜力成为可能。
2010-04-04 physics.acc-ph physics.atm-clus physics.class-ph
Coulomb cluster explosion boosted by a quasi-dc pulse -- diagnostic tool and ultimate test of laser fusion efficiency in clusters
为了大幅度提高激光引发氘团簇库仑爆炸中核聚变产生的中子的输出，我们提出用准$dc$电脉冲将产生的离子加速到$D^+ + D$碰撞截面最大的能量。用$D^+$离子轰击然后轰击富氘固态阴极，这允许通过（a）完全去除阻碍离子核的库仑爆炸的电子云，（b）利用高达100%的团簇离子与高密度填充核碰撞，以及（c）在单次$D^+ + D$碰撞中达到中子产生的高度增加的横截面，特别是通过使用多层靶。我们还考虑使用E脉冲加速诊断的目的。
2018-05-05 physics.atm-clus physics.plasm-ph
Nonthermal electron and ion acceleration by magnetic reconnection in large laser-driven plasmas
磁重联是一个基本的等离子体过程，被认为在空间物理和天体物理中与爆炸现象相关的非热粒子的产生中起着关键作用。在高能量密度设施的实验开始探测在高伦德奎斯特数和大系统尺寸的重联的微观物理。我们已经进行了粒子在细胞（PIC）模拟，探索粒子加速激光驱动的重联实验相关的参数。我们研究粒子加速在大系统的尺寸，可能很快产生的最有活力的激光驱动器，如在国家点火装置。在这些条件下，我们显示了达到多等离子体制度，其中等离子体加速成为主导的可能性。我们的研究结果表明，从\textit{X}点等离子体团为主的加速与合并和收缩的等离子体团，进一步扩展的最大能量的幂律尾的粒子分布的电子。我们还发现第一次出现的系统大小依赖的非热离子加速驱动重联，在足够大的尺寸的离子的磁化允许它们被包含在磁场和通电的直接\textit{X}点加速。在可行的实验条件下，电子和离子可以达到$ε_{max,e} / k_{B} T_{e} > 100$和$ε_{max,i} / k_{B} T_{i} > 1000$的能量。利用PIC模拟与二进制蒙特卡罗库仑碰撞，我们研究碰撞等离子体团的形成和粒子加速的影响。这些结果的影响，了解重联在加速粒子在空间物理学和天体物理学中的作用进行了讨论。
2020-12-03 physics.plasm-ph
Nonthermal ion acceleration by the kink instability in nonrelativistic jets
本文研究了非相对论性电子-离子等离子体射流中与扭结不稳定性（KI）发展相关的粒子加速自洽物理。使用三维完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟，我们表明，KI有效地将初始环形磁场能量转化为高能离子。被加速的离子在能谱中形成非热幂律尾，包含初始磁场能量的$\simeq10\%$，并且最大离子能量延伸到射流的约束能量。我们发现，离子被有效地加速的运动电场和高度纠缠的磁场，在KI的非线性阶段开发的协调行动：跨磁场线的离子的快速曲率漂移运动，使他们的加速沿电场。我们进一步研究了库仑碰撞对离子加速效率的影响，并确定了碰撞阈值，在该阈值以上，非热离子加速被抑制。我们的研究结果揭示了如何高能离子可能会导致不稳定的非相对论性等离子体射流在空间和天体物理学，并提供了在实验室实验中重现这种加速机制所需的等离子体条件的约束。
2019-07-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Stochastic particle acceleration and the problem of backgroud plasma overheating
星系团中硬X射线（HXR）过量辐射的起源仍然是一个谜，其性质存在争议。产生这种辐射的可能机制之一是韧致辐射模型。然而，先前的分析和数值计算表明，在这种情况下，团内等离子体必须非常快地过热，因为发射HXR过量的超热电子主要通过库仑损失失去能量，即，它们加热背景等离子体。从这些研究中还得出结论，通过随机（费米）加速从背景等离子体产生发射电子是有问题的，因为由外部源以费米加速形式提供的能量被背景等离子体快速吸收。换句话说，费米加速对粒子加速是无效的。我们重新讨论了这个问题，发现在某些加速参数下，等离子体加热的速率相当低，当等离子体温度几乎恒定时，非热粒子的加速尾可以产生并存在很长一段时间。我们还表明，对于某些制度的加速等离子体冷却，而不是被加热，即使外部源（在外部加速的形式）提供能量的系统。原因是加速有效地从热池（麦克斯韦恶魔的模拟）中提取高能粒子。
2012-10-06 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Formation of Power-law Energy Spectra in Space Plasmas by Stochastic Acceleration due to Whistler-Mode Waves
考虑哨声波和库仑碰撞的随机加速效应，建立了非相对论性的Fokker-Planck方程。在零通量边界条件下，方程的定态解$f$是广义洛伦兹（或kappa）分布，对于大速度$v$满足$f\propto v^{-2(κ+1)}$，其中$κ$是谱指数。参数$κ$强烈地依赖于相对波强度$R$。考虑到电子与哨声共振所需的临界能量，我们计算的$R$的值的范围内的一些不同的空间等离子体的卡帕分布可以预期形成的。这项研究是第一个在文献中提供了一个理论的理由，形成广义洛伦兹（或卡帕）粒子分布函数在空间等离子体。
1998-10-26 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Ion acceleration with few cycle relativistic laser pulses from foil targets
本研究通过少周期相对论激光与不同箔靶作用，实现前后表面质子能量超1 MeV、转换效率约1.4%，验证了真空加热主导吸收及类TNSA、带电腔库仑场的加速机制。
2022-12-01 physics.plasm-ph
Charged State of a Spherical Plasma in Vacuum
在离子不动和弱碰撞的限制下，研究了球对称等离子体位形的定态。小半径的电子束带正电，因为在平衡过程中电子总数的很大一部分蒸发，留下具有能量截止的电子分布函数。这种带电的等离子体结构是感兴趣的库仑爆炸和离子加速的研究从小集群照射的超强激光脉冲和离子束在等离子体中的传播的调查。
2004-11-05 physics.plasm-ph
Beam dynamics challenges in linear colliders based on laser-plasma accelerators
在本文中，我们讨论了设计考虑和光束动力学的挑战与激光驱动的等离子体为基础的加速器应用于多TeV尺度的直线对撞机。等离子体加速器提供超高梯度和超短束团，为紧凑的直线加速器和降低的功率要求提供了潜力。我们表明，稳定，有效的加速与光束质量的保护是可能的，在非线性气泡制度的激光等离子体加速器，使用光束整形。离子运动，自然发生的密集束（即，低发射度和高能量）严重地抑制了横向束的不稳定性。库仑散射的背景离子被认为是在等离子体中的强聚焦强烈抑制散射引起的发射度的增长。束在等离子体中横向运动产生的β电子辐射将导致束功率损失和能量扩展增长;然而，对于100 nm以下的发射度，多TeV级等离子体直线加速器的束功率损失和能量扩展增长将低于%。
2022-03-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
MeV Argon ion beam generation with narrow energy spread
激光驱动粒子加速技术在利用强激光装置产生多GeV电子束团和10 s MeV离子束方面取得了显著的进展。强激光脉冲提供了每米1012伏的加速场，比传统加速器大几个数量级，使设备紧凑。在这里，我们报告了一个高度准直的氩离子束与窄能量扩展的45-fs的完全相对论激光脉冲照射到氩团簇靶上产生。高电荷态（16+电荷态的氩离子）重离子束在能量峰值为0.39 MeV/核子处具有0.19 MeV/核子的最小绝对能量扩展。我们从粒子单元模拟中识别出一种新的方案，其极大地减小了射束能量扩散。强流等离子体尾流场对离子束有很强的调制作用，使低能部分被截断。因此，来自库仑爆炸的预加速氩离子束变得更加单能和准直。
2016-01-25 physics.plasm-ph
Accelerating Protons to Therapeutic Energies with Ultra-Intense Ultra-Clean and Ultra-Short Laser Pulses
本文讨论了强激光脉冲从用于强子治疗的超薄薄膜中加速质子的问题。随着在密歇根大学的Hercules激光器上实现的激光强度对比度提高到10-11，可以在高达1022 W/cm 2的强度下实现激光-固体相互作用，这允许从亚微米箔进行激光驱动离子加速的有效机制。定向库仑爆炸区超薄双层质子加速的PIC模拟不同厚度的（重离子/轻离子）箔在预期的实验条件下进行，用于Hercules激光器，脉冲能量从3到15 J，脉冲半高宽（FWHM）为30 fs，聚焦到0.8微米（FWHM）的光斑尺寸。在这种情况下，重离子主要在激光脉冲传播的方向上扩展，增强了加速轻离子的纵向电荷分离电场。已发现的最大质子能量的依赖性上的箔的厚度和激光脉冲特性已与目标的厚度相匹配，以确保最有效的加速。此外，质子光谱在高能量下显示出峰值结构，这是放射治疗所需的。2D PIC模拟表明，150-500 TW的激光脉冲能够将质子加速到100-220 MeV的能量。
2008-05-13 physics.med-ph physics.plasm-ph
Laser Accelerated Ions from a Shock Compressed Gas Foil
我们提出了高能激光离子加速从一个定制的，近固体密度的气体目标的结果。在超强激光脉冲到达靶板之前，碰撞流体动力冲击将纯氢气射流压缩成70 μm厚的靶板。密度扫描揭示了从以广角低能束为特征的区域到具有高能晕的更聚焦的束的过渡。在后一种情况下，三维模拟显示了由激光尾场加速电子产生的轴向电流驱动的Z箍缩的形成。当箍缩消散时，靶后部的离子被加速电子的空间电荷场和库仑排斥的组合加速。
2016-03-14 physics.plasm-ph
Azimuthal ion movement in HiPIMS plasmas -- Part I: velocity distribution function
本文利用空间分辨光发射光谱测量HiPIMS等离子体中的方位角离子速度，并结合测试粒子模拟证明电子经库仑碰撞向离子传递动量是其主要加速机制。
2023-06-06 physics.plasm-ph
Non-thermal particle acceleration in multi-species kinetic plasmas: universal power-law distribution functions and temperature inversion in the solar corona
本文提出了一种自洽的准线性理论，解释了多物种等离子体中非热幂律分布的形成及日冕温度倒置现象。
2026-01-06 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
The physics and applications of strongly coupled plasmas levitated in electrodynamic traps
本文综述了电动势阱中带电纳米颗粒强关联库仑系统的物理现象与应用，通过耦合参数 Γ=10^8 研究其动力学，并探讨了质谱分析、生物颗粒检测及激光等离子体加速等技术。
2022-10-30 physics.app-ph physics.plasm-ph quant-ph
