The self-injection threshold in self-guided laser wakefield accelerators
激光脉冲通过等离子体可以激发大振幅的等离子体波，可以用来在很短的距离内加速相对论电子束-一种称为激光尾波场加速的技术。许多尾流场加速实验依赖于破波或自注入的过程，将电子注入到波中，而其他注入技术则依赖于没有自注入的操作。我们提出了一个实验研究的参数，包括脉冲能量，焦斑质量和脉冲功率，决定是否尾场加速器将自注入。通过考虑自聚焦和脉冲压缩的过程，我们能够扩展先前描述的理论模型，其中捕获所需的最小气泡尺寸不是恒定的，而是随密度缓慢变化，并且与该模型非常一致。
2012-01-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Scissor-cross ionization injection in laser wakefield accelerators
本文提出在激光尾场加速器中，利用倍频脉冲与驱动脉冲成锐角碰撞来触发电离注入。该方案有效地缩短了喷油持续时间，从而获得了较高的喷油质量。三维粒子模拟结果表明，用~100 TW激光脉冲可以产生能量为~500 MeV、电荷为~40 pC、能散为~1%、归一化发射度为几毫米毫弧度的电子束。通过调节两个脉冲之间的角度、触发脉冲的强度和气体掺杂比，可以控制电子束的电荷和能量扩展。
2021-09-26 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Theory of the Laser Wake-Field Accelerator Revisited: Wake Overtaking, Localized Spectrum and Ponderomotive Acceleration
本文研究了激光尾流场第一循环中电子和正电子的加速。不同类型的粒子运动（限制，反映的尾场或有质动力势和瞬态）之间的分离证明。有质动力加速度对电子来说可以忽略不计，但对正电子来说却很大。准单能注入的电子束团在最大能量处具有截止的局域能谱。
2005-07-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation of Ultrabrilliant Positron Beam via Superponderomotive Injection in Laser Wakefield Acceleration
Xi’an Jiaotong University（西安交通大学）；Nankai University（南开大学）
该研究提出激光尾场加速中超有质动力注入方法，通过粒子模拟验证产生低发射度多周期正电子束，为超高亮度正电子源提供新型紧凑途径。
2026-08-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation of High Brightness Electron Beams via Ionization Induced Injection by Transverse Colliding Lasers in a Beam-Driven Plasma Wakefield Accelerator
采用三维粒子模拟方法研究了在束流驱动等离子体尾流中，利用两束横向碰撞的激光脉冲触发电离注入产生超亮电子束团的过程.相对低强度的激光沿着尾流轴偏振，并且在非常短的时间内与尾流重叠。其结果是，电离电子在尾流横截面中的剩余动量大大减少，并且注入沿尾流的传播轴局部化。这最小化了初始的“热”发射度和由于横向相混合引起的发射度增长。三维PIC模拟结果表明，在实际参数下，可以得到超短（约8 fs）强流（0.4 kA）电子束团，其两个平面的归一化发射度分别为8.5和6 nm，亮度大于1.7* 10 e19 A rad-2 m-2。
2013-01-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Energy Bunching from Sub-Cycle Ionization Injection in Laser Wakefield Acceleration
本文首次实验观测到激光尾场加速中由载波包络相位驱动的能量聚束，利用少周期多太瓦激光在氦氮混合气体中电离注入产生多准单能峰，揭示了亚周期电离注入实现阿秒级控制与束流结构化的潜力。
2025-08-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Injection tolerances and self-matching in a quasilinear wakefield accelerator
准线性等离子体尾流中的粒子加速提供了获得高加速梯度的途径，同时避免了背景电子的自陷。然而，等离子体对外部注入的见证聚束的响应导致沿聚束长度的聚焦场的变化，这可以导致发射度增长。为了研究这种发射度的增长对整体光束质量的影响，我们开发了一个单一的品质因数的基础上的潜在的高能量应用的AWAKE实验在欧洲核子研究中心。我们表明，这样的品质因数的发展自然会产生的初始见证聚束参数的可调性和稳定性的约束。它进一步表明，独特的物理准线性唤醒引起宽公差的见证聚束半径在注射点，作为等离子体尾场自匹配的见证聚束。
2022-06-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ponderomotive scattering of an electron-bunch before injection into a laser wakefield
为了激光尾流场加速的目的，事实证明，比等离子体波长长的电子聚束的注入也可以产生具有相对低的能量扩展的加速的飞秒聚束。这是非常令人感兴趣的，因为可以提供这样的注入聚束，例如，最先进的光电阴极射频枪在这里，我们指出，当电子束团注入尾流场中，重要的是要考虑的有质动力散射的注入聚束的激光脉冲在真空区位于前面的等离子体。在注入的聚束的低能量下，这种散射导致收集效率的显著下降。通过较低强度的激光脉冲和相对高的注入能量可以达到较大的收集效率。我们还估算了注入电子的最小俘获能和俘获束团的长度。
2006-07-07 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Mapping charge capture and acceleration in a plasma wakefield of a proton bunch using variable emittance electron beam injection
在AWAKE第一次实验运行的第二阶段（2018年5月至11月）中，使用电子束探测和测试铷等离子体柱中的质子驱动尾场加速。在这项工作中，我们分析了整体的电荷捕获和拍摄到拍摄的再现性质子驱动等离子体尾场加速器与各种电子束注入参数。见证电子束的产生使用的RF枪配备了Cs2Te光阴极照射的可剪裁的超快深紫外（UV）激光脉冲。UV束光学系统的构造使得能够适当的横向束成形和控制其脉冲持续时间、大小和在光阴极上的位置，以及相对于在质子束中播种等离子体尾场的电离激光脉冲的时间延迟。可变光电阴极照明提供了所需的灵活性，以产生具有可变电荷、发射度和注入等离子体柱的轨迹的电子聚束。我们证明了电荷捕获率超过15%（40 pC的GeV加速电荷为385 pC注入电子束）在优化的电子注入条件下。
2022-06-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron Self-injection in Multidimensional Relativistic Plasma Wakefields
本文提出了一个在气泡区由短激光脉冲激发的非线性多维等离子体波或在井喷区由短电子束激发的非线性多维等离子体波中电子自注入的解析模型。在这种情况下，这是典型的电子加速在最后的实验中，激光辐射压力或电子束电荷推出背景等离子体电子形成一个等离子体腔-气泡-与一个巨大的离子电荷。等离子体电子可以被捕获在气泡中，并被等离子体尾场加速到非常高的能量。该模型预测了电子捕获的条件和捕获的截面的气泡半径和气泡速度。所得结果与三维粒子模拟结果吻合较好。
2009-05-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam-Driven Systems, Plasma Wakefield Acceleration
我们扩展了在CERN加速器学院关于等离子体尾场加速的先前论文集中发表的材料。该材料侧重于在短、窄束区中的等离子体尾场加速。在简要介绍了等离子体尾场加速器的基本原理后，我们描述了束流训练驱动的等离子体尾场加速器。然后，我们试图给出简单而直观的描述聚束自调制，发生时，聚束是长的，和电流的反射，发生时，聚束是宽的。自调制是一种利用现有的带有大量能量的聚束来驱动等离子体尾场的方法。在横向分裂可能破坏尾场产生和加速过程之前，电流偏转不稳定性对粒子束的宽度施加了限制。与前面的材料一样，我们展示了一些实验结果，这些结果表明，大部分物理现象都是在实验中观察到的。
2020-07-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Wakefield-Induced Ionization injection in beam-driven plasma accelerators
本文详细分析了束流驱动等离子体加速器中尾场诱导电离（WII）注入的特点和能力。这种机制利用电尾流场从掺杂剂气体中捕获电子，并将它们捕获在加速和聚焦尾流阶段的明确限定的区域中，从而形成高质量的无源聚束[Martinez de la Ossa等人，物理修订信函111，245003（2013）]。电子束驱动器必须具有高峰值电流（$I_b^0\gtrsim 8.5~\mathrm{kA}$）和与等离子体波长相当的持续时间，以在井喷状态下激发等离子体波并实现WII注入。在该状态下，驱动器区域中的电场的大小与离子腔后部中的电场的大小的差异允许选择性电离和随后从窄相位间隔捕获。以这种方式产生的见证聚束具有短的持续时间和小的归一化横向发射度（$k_pσ_z \sim k_pε_n \sim 0.1$）值。此外，我们表明，注入的电荷的量可以通过调整掺杂剂气体物种的浓度进行调整，这允许控制光束加载，并导致减少的总能量扩散的见证光束。以这种方式产生的电子聚束满足以更高密度驱动井喷状态等离子体尾流并在第二阶段触发WII注入的要求。这表明了一个有前途的新概念的自相似分期WII注入的步骤，随着等离子体密度的增加，产生的潜力，产生前所未有的能量和辉煌的电子束等离子体尾场加速器。
2015-09-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High-Quality Electron Beams from Beam-Driven Plasma Accelerators by Wakefield-Induced Ionization Injection
我们提出了一种新的和简单的策略，用于在束流驱动等离子体加速器中控制电离诱导的电子捕获。所提出的方法直接利用电尾场从掺杂剂气体中捕获电子，并将它们捕获到加速和聚焦尾相的明确定义的体积中，从而产生高质量的无源聚束。这种注入原理解释的三维粒子在细胞（PIC）的计算使用代码OSIRIS的例子。在这些模拟中，高电流密度的电子束驱动器激发等离子体波在吹出制度内的完全电离的氢等离子体的密度$5\times10^{17} \mathrm{cm^{-3}}$。在被中性氦气污染的嵌入式$100 \mathrm{μm}$长等离子体柱内，尾流场触发电离，捕获限定比例的释放电子，并随后加速。由此产生的电子束具有$1.5 \mathrm{kA}$峰值电流、$1.5 \mathrm{μm}$横向归一化发射度、在GeV能量尺度上0.3%的不相关能量扩展和几个飞秒聚束长度。
2015-06-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Quasi-phasematched laser wakefield acceleration
激光尾场加速（LWFA）中的能量增益最终受到退相的限制，当被加速的电子超过尾场的加速相位时发生退相。我们应用准相位匹配，使轴向调制等离子体通道，以克服这一限制。通过使调制周期与退相长度匹配，相对论性电子可以在几个退相长度上经历能量增益。理论和模拟结果表明，在弱相对论激光强度（~10^17 W/cm 2）和毫焦耳级脉冲能量下，准相位匹配LWFA的能量增益比标准LWFA大50 MeV。
2013-10-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
All-optical density downramp injection in electron-driven plasma wakefield accelerators
等离子体尾场加速器的一个关键问题是如何将高质量的电子注入等离子体波中。在这里，我们报告的第一个实验演示的等离子体密度下降斜坡注入的电子驱动的等离子体尾场加速器，它可以控制和调整的mJ级激光脉冲的全光学方式。激光脉冲在其到达之前被引导穿过等离子体波的路径，在该路径处，激光脉冲除了通过高电离阈值气体成分的隧穿电离产生背景等离子体之外还产生局部等离子体密度尖峰。该密度尖峰在密度下降斜坡期间使等离子体波失真，导致等离子体电子被注入到等离子体波中。通过调整激光脉冲能量和形状，可以设计高度灵活的等离子体密度尖峰分布，从而实现无暗电流的多功能高质量电子束的产生。这又允许产生独特的注入光束配置，例如反向振荡的双光束。
2020-07-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Charge coupling in multi-stage laser wakefield acceleration
多级激光加速技术是全光无抖动电子加速器的关键技术之一。使用几个独立的激光驱动器和较短长度的等离子体靶允许稳定的和可再现的加速电子聚束（或束）在GeV的能量与较低的能量扩展。同时，在连续加速阶段中有效加速所需的电荷耦合共同取决于注入电子束、升压阶段和激光脉冲尾流中电子束的非线性横向动力学的参数。非匹配电子束注入助推级后，其非线性横向演化会导致尾流场加速阶段的场强扰动甚至降低。在多级激光尾场加速中，电荷耦合的分析和表征变得至关重要。在这里，我们调查两个阶段LWFA通过完全相对论多维粒子在细胞中的模拟，并根据最关键的参数，这会影响有效的耦合和加速的电子束在助推器阶段。
2019-11-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam current from downramp injection in electron-driven plasma wakefields
研究电子驱动等离子体加速器中密度下坡注入的束流电流，发现其仅由结合驱动器电流、持续时间与等离子体密度的单一参数决定，且不依赖下坡长度。
2023-07-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coupling Effects in Multi-Stage Laser Wake-field Acceleration of Electrons
分级激光尾流场加速是研制全光抖动自由电子加速器的必要技术。将加速长度分成几个技术部分，其长度小于退相长度，并具有独立的激光驱动器，从而可以产生稳定的、可再现的加速场。预加速电子束团在连续激光脉冲尾场加速阶段的时空耦合是分段激光驱动加速的关键。在这里，耦合的表征是用密集的、稳定的、窄的能带<3%的和能量可选的电子束进行的，电子束具有从激光等离子体阴极产生的~1.6 pC的电荷和~10 MeV的能量。在低密度预等离子体中的电子聚束的累积聚焦，表现出Budker-Bennett效应，被示出导致有效的电子注入，即使在激光脉冲尾流中的注入器和助推器之间的长距离。测量的电子束的特性修改的助推器尾场同意与多维粒子模拟得到的。
2019-08-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Trapping, Compression and Acceleration of an Electron Bunch in the Nonlinear Laser Wakefield
本文提出并考虑了一种激光尾场加速方案，即当激光脉冲前有一束相对稀少的长束非相对论性或弱相对论性电子时。本文研究了在一维尾流场和三维激光尾流场中等离子体通道中测试电子的运动。结果表明，聚束被捕获，有效地压缩在纵向和横向方向上，并加速到超相对论能量的尾场的第一个加速最大值的区域。加速的聚束具有比等离子体波长小得多的尺寸和相对小的能量扩展。
2001-10-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Nonlinear wakefields and electron injection in cluster plasma
激光和束流驱动尾流场有望使粒子加速器的电场梯度增加几个数量级，以供将来应用。探索的关键领域包括所产生的光束的发射特性和克服等离子体中的退相限制。在本文中，第一次在从非均匀团簇等离子体的尾场结构的自注入机制的深入研究提供了使用高分辨率的二维粒子在细胞模拟。团簇是由高压气体射流喷射气体引起的典型结构，其直径远小于激光波长。结论性的证据提供的基本机制，导致粒子捕获，比较均匀和集群等离子体的情况下。加速电子束的特性被发现是可调的，通过改变集群参数。该机制解释了增强的束流电荷与大的横向动量和能量配对，这对电子感应加速器x射线通量有影响。最后讨论了团簇对强激光传输行为的影响。
2020-07-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A bremsstrahlung gamma-ray source based on stable ionization injection of electrons into a laser wakefield accelerator
激光尾场加速可以产生毫米量级的超短、高亮度相对论电子束。虽然这些特征对于许多应用是感兴趣的，但是源仍然受到电子注入过程的差的稳定性的限制。在这里，我们提出的结果，在纯氮和氩的电子注入和加速。我们观察到稳定的，连续的电离诱导电子注入到尾场激光功率超过7 TW的阈值。光束电荷与激光能量近似线性地成比例，并且受到光束负载的限制。对于40 TW激光脉冲，我们测量到每次发射的最大电荷几乎为1 nC，主要来自能量小于10 MeV的电子。相对较低的能量、高电荷和稳定性使该光源非常适合无损检测等应用。因此，我们证明了生产的高能辐射通过韧致辐射转换在1赫兹的重复率。根据Geant 4蒙特卡罗模拟，我们测量的γ射线源的尺寸小于100微米的0.5毫米钽转换器放置在2毫米从加速器出口。此外，我们提出了图像质量指标的射线照片。
2016-01-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Wakefield acceleration of self-injected bunch in a conical plasma channels
针对激光尾场加速中自注入粒子束因超驱动速度移出最大加速相位的问题，提出采用锥形渐变通道通过缩小气泡尺寸同步束与尾波相位，所得相关参数变化关系可为后续研究提供参考。
2025-09-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
An analytical optimization of plasma density profiles for downramp injection in laser wake-field acceleration
Università di Napoli “Federico II”（那不勒斯费德里科二世大学）；INFN, Sez. di Napoli（意大利国家核物理研究所那不勒斯分部）；Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics, IFIN-HH（极亮基础设施-核物理，IFIN-HH）
本文提出一种多步骤分析方法，通过改进的全相对论平面模型优化等离子体初始密度，以控制等离子体波的部分波破并最大化电子束的加速。
2026-03-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Convergence in nonlinear laser wakefield accelerators modeling in a Lorentz-boosted frame
激光尾流场加速建模使用洛伦兹提升框架技术的粒子在细胞的代码已经证明了数量级的加速。收敛性研究以前进行的情况下，外部注入的线性政权和非线性政权没有注入，所获得的结果表明收敛的百分比水平。本文对2-1/2维组态中的电子自注入模型进行了收敛性研究。据观察，洛伦兹提升框架技术是能够建模复杂的粒子动力学与显着的加速。这一结果对于缩短未来高精度$10\,\mathrm{GeV}$激光尾场加速器级链建模的计算时间是至关重要的。
2018-03-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ultimate plasma wakefield acceleration with 400 GeV proton driver
发现了一种新的质子驱动等离子体尾场加速机制，即等离子体非线性使激发波相速度比质子相速度大。如果束电荷比激发非线性波所需的最小值大得多，则在选择纵向等离子体密度分布以使波速度接近光速方面有足够的自由度。这使得电子或正电子可以用400 GeV的质子驱动器加速到大约200 GeV。
2021-05-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
New regime of plasma wake field acceleration in the extreme blowout regime
采用三维粒子模拟方法研究了质子驱动等离子体尾流场加速问题，即利用高能质子束团驱动等离子体尾流场加速电子束。发现了一种新的参数区域，其产生的基本恒定的电场比AWAKE设计的电场大三个数量级，即$2 \times 10^{3}$ GV/m的数量级。这是实现在极端井喷制度，当驱动质子束的数密度超过等离子体电子数密度100倍。
2018-11-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Efficient injection of radiation-pressure-accelerated sub-relativistic protons into laser wakefield acceleration based on 10 PW lasers
我们提出了一种混合激光驱动的离子加速方案，使用固体箔和密度定制的背景等离子体的组合目标。在第一阶段，强激光与固体薄膜相互作用中的辐射压加速可产生亚相对论质子束。在第二阶段，该次相对论质子束被进一步加速的激光尾流场驱动的相同的激光脉冲在近临界密度的背景等离子体密度下降的轮廓。在第二阶段开始时，激光波前的传播速度和激发尾场波的相速度被有效地降低。通过沿激光传播方向从临界密度附近逐渐降低背景等离子体密度，尾流在加速质子的同时行进得越来越快。因此，质子和尾流之间的退相被推迟，并且实现有效的尾流场质子加速。这种混合激光驱动质子加速方案可以通过使用峰值功率为10 PW的超短激光脉冲产生多GeV质子束来实现。
2018-06-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation of Low Absolute Energy Spread Electron Beams in Laser Wakefield Acceleration Using Tightly Focused Laser through Near-Ionization-Threshold Injection
提出了一种增强的电离注入方案，该方案使用强度接近电离势的紧聚焦激光脉冲来触发失配预等离子体通道中的注入过程，并通过多维粒子模拟进行了研究。该方案的核心思想是通过缩短注入距离来降低俘获光束的能量扩展。我们建立了理论来精确预测注入距离，以及注入原子/离子的电离度，电子产额和电离电荷。找到了注入距离与激光参数和等离子体参数之间的关系，给出了控制注入距离的策略，从而优化了光束的能散。在所提出的模拟例子中，我们已经详细研究了整个注入和加速，并发现一些独特的功能的注入计划，如多聚束注入，独特的纵向相空间分布等。最终的电子束具有相对能量扩展（rms）下降到1.4%，其峰值能量为190 MeV和电荷1.7 pC。束流能散的变化趋势表明，更长的加速时间可以进一步降低能量扩散到小于1%，这可能是与未来的激光等离子体加速器驱动的相干光源相关的应用潜力。
2015-09-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Pinching injection in wakefields for spin-polarized electron beams
Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海光学精密机械研究所）；Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫大学）；University of Ioannina（约阿尼纳大学）；Foundation for Research and Technology-Hellas（希腊研究与技术基金会）；University of Crete（克里特大学）
通过等离子体wakefield加速中的针尖效应，实现氢卤化物靶中自旋极化电子束的注入，保留自旋极化率达50%。
2026-04-24 physics.plasm-ph
Ultra-Bright Electron Bunch Injection in a Plasma Wakefield Driven by a Superluminal Flying Focus Electron Beam
我们提出了一种新的方法，利用“飞焦”的驱动光束与能量啁啾产生的等离子体尾场结构中的井喷制度的高质量的电子束团的自注入。在飞行聚焦中，利用聚焦光学系统的色相关性，驱动聚束的密度质心的速度可以是超光速或亚光速的。我们首先推导出焦距和能量啁啾的焦斑的焦速度和特征长度。然后，我们使用多维粒子模拟证明，由电子束超光速传播飞行焦点驱动的尾流可以产生具有超低归一化切片发射度的GeV级电子束团（$\sim$ 30 nm rad），高电流（$\sim$ 17 kA），在密度为$\sim10^{19}$ cm $^{-3}$的等离子体中具有低的切片能量扩展（$\sim$ 0.1%）和因此高的归一化亮度（$>10^{19}$ A/rad $^2$ /m $^2$）。注入过程是高度可控和可调的，通过改变焦点速度和成形的驱动光束电流。FACET II的近期实验计划产生数十kA、<10 fs驱动器的能力，可能产生亮度接近$10^{20}$ A/rad $^2$ /m $^2$的光束。
2022-04-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Acceleration rate enhancement by negative plasma density gradient in multi-bunch driven plasma wakefield accelerator
本文提出在多束驱动的等离子体尾场加速器中引入负等离子体密度梯度，通过仅调节驱动束与波的相对相位并保持波相位稳定，从而在有限长度内提升被加速束的能量增益。
2024-11-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Gas cell density characterization for laser wakefield acceleration
在多级激光尾场加速器的激光等离子体电子注入器设计中，等离子体密度的控制是稳定加速过程的关键因素。使用具有可变参数的单元来限制气体并定制密度分布。气体填充过程的特征在于实验和流体模拟。结果表明，实验和模拟之间的良好协议。还使用模拟来研究每个气室参数对密度分布的影响，并显示精细控制密度分布的可能性。
2018-01-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
All-optical blast wave control of laser wakefield acceleration in near critical plasma
本文提出利用垂直聚焦纳秒激光脉冲产生的柱状冲击波控制激光尾场加速长度，通过破坏尾场避免失相，并借助等离子体透镜效应改善电子束质量，实验和数值模拟验证了该方法可形成能量可控、发散度改善的准单能电子束团。
2024-03-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Control of laser wake field acceleration by plasma density profile
我们发现，最大能量增益和加速束流质量可以有效地控制等离子体密度分布。选择适当的密度梯度可以提高失相极限。当利用周期性尾流场时，由于等离子体密度梯度，相对论粒子束和等离子体波之间的相位同步可以在扩展的距离上保持。将电子引入驱动激光脉冲后的第$n-$个唤醒周期，最大能量增益比均匀等离子体情况下的最大能量增益增加了$2πn$倍。然后，通过激光耗尽而不是通过失相来限制加速。此外，我们表明，在加速阶段获得的粒子束的自然能量扩散可以有效地删除匹配的减速阶段，其中使用更大的等离子体密度。
2007-08-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High-throughput injection-acceleration of electron bunches from a linear accelerator to a laser wakefield accelerator
由强激光（激光尾场加速器，LWFAs）或粒子束（等离子体尾场加速器，PWFAs）驱动的基于等离子体的加速器（PBA）与传统的射频（RF）加速器相比，可以以极高的梯度加速带电粒子。在过去的二十年里，在这一领域取得了长足的进步，使PBA成为下一代光源和对撞机的候选者。然而，这些具有挑战性的应用必然要求光束具有良好的稳定性、高质量、可控的偏振和优异的再现性。迄今为止，此类光束仅由传统的RF加速器产生。因此，重要的是要证明注入和加速的光束首先使用传统的RF加速器，由PBA。在最近的一些关于PWFA中LWFA分级和外部注入加速的研究中，只有很小一部分（从低于0.1%到几个百分比）的注入电荷（耦合效率）被加速。对于未来的对撞机，其中束能量将需要使用多个阶段来提升，每个阶段的耦合效率必须接近100%。在这里，我们报告的第一个演示外部注入从一个基于光电阴极RF枪的传统直线加速器（LINAC）到LWFA和随后的加速没有任何重大损失的电荷或质量下降，这是通过适当的成形和匹配的束到等离子体结构。这是实现高通量、多级、高能量、混合型常规等离子体加速器的重要一步。
2020-05-01 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Radiation reaction-dominated regime of wakefield acceleration
本文研究了电子在等离子体尾流场中的横向振荡所产生的辐射-反作用力对电子加速的影响。辐射反应的经典和强量子电动力学（QED）的限制。对于恒定的加速力，我们表明，振幅的振荡的QED参数$χ$在辐射占主导地位的制度，达到平衡值仅由加速场的大小，而平均过感应加速振荡辐射反作用力饱和的值小于加速力，因此是无法防止无限加速。我们找到的参数的电子束和等离子体加速器，达到这样的制度是可能的。我们还研究了在加速过程中的失相和相应的加速力的变化的影响，并得出结论，辐射主导的制度是实现在单级加速与缓慢的失相（通常对应于聚束驱动的等离子体加速器）和多级加速与快速的失相（对应于使用激光驱动的加速器）的情况下。
2021-09-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma electron trapping in quasistatic simulations of plasma wakefield acceleration
等离子体尾场加速研究目前相当依赖于使用高度专业化的软件数值模拟这种效果。问题的计算难度太大，需要简化模型和方法，限制了这种软件的适用性。例如，准静态近似利用不包括由尾流场捕获等离子体电子的等离子体模型。本文提出了一种利用准静态等离子体束求解器计算尾流场俘获等离子体电子参数的方法。
2017-12-03 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
An Overview of Recent Progress in Laser Wakefield Acceleration Experiments
本文的目标是检查在过去十年（2004-2014）的激光尾流场加速的实验进展，并使用数据的趋势来理解一些重要的物理过程。通过对50多个实验的分析，揭示了等离子体密度、加速器长度、激光功率和最终电子束能量之间关系的各种趋势。这些数据表明，目前的实验是有限的失相，目前的实验通常需要一些脉冲的演变，以达到捕获阈值。
2017-05-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron self-injection threshold for the tandem-pulse laser wakefield accelerator
可控注入方案是产生高质量激光驱动电子束和X射线的关键。自注入是导致高电流和峰值能量的最直接的方案，但是易受激光参数和目标特性的变化的影响。在这项工作中，改进的控制电子自注入的非线性腔制度，使用两个激光脉冲在串联传播的影响。特别是在注入阈值，电子能量和束流特性方面的串联脉冲方案的优势，在一个制度相关的电子感应加速器辐射证明。此外，它表明，电子自注入的激光功率阈值可以减少到一个因素的两个相比，标准的，单脉冲尾场计划。
2019-11-28 physics.plasm-ph
Electron trapping and acceleration by the plasma wakefield of a self-modulating proton beam
结果表明，共线注入的电子或正电子到尾场的自调制粒子束是可能的，并确保高的能量增益。见证光束必须与驱动器的尾部共同传播，因为那里的等离子体波相速度可以超过光速，这是有效加速所必需的。如果验证光束是许多尾场周期长，则被俘获的电荷受到光束加载效应的限制。最初的捕获对正电子来说是更好的，但是在加速阶段，相当一部分正电子从波中丢失。为了有效地捕获电子，等离子体边界必须是尖锐的，密度过渡区短于几厘米。正电子不受初始等离子体密度梯度的影响。
2014-08-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Energy Depletion and Re-Acceleration of Driver Electrons in a Plasma-Wakefield Accelerator
本文首次明确观测到等离子体尾场加速器中驱动电子的再加速现象，并测得驱动器将57%能量沉积于195毫米等离子体，结合其他效率表明其总能量转移效率可达到或超越传统加速器。
2024-07-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Evidence for high-energy and low-emittance electron beams using ionization injection of charge in a plasma wakefield accelerator
利用两个不同长度的锂等离子体源，对等离子体尾场加速器中的电离注入进行了实验研究。用于限制锂的氦气的电离在尾流中注入电子。在加速之后，这些注入的电子在能谱仪上被观察为与驱动束不同的组。它们通常具有数十pC的电荷，几GeV的能量扩展，最大能量高达30 GeV。这组电子的发射率可以比驱动束的初始发射率小许多倍。从一个等离子体长度到另一个的捕获电荷的能量标度是一致的等离子体尾场的井喷理论。
2015-10-06 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Overcoming the dephasing limit in multiple-pulse laser wakefield acceleration
激光驱动等离子体尾场加速中的电场比传统的射频腔高几个数量级，但能量增益受到超相对论电子聚束和尾场之间的移相的限制，尾场以激光群速度传播。我们提出了一种方法来克服这个限制在一个单一的等离子体阶段。通过调制密度分布，可以在飞行中控制激光脉冲训练后尾流场的幅度。这产生了一系列的共振激光等离子体加速器部分和非共振漂移部分，在这些部分内尾场消失，电子重新相位。一个二维的粒子在细胞模拟与四个2.5TW激光脉冲产生50MeV的电子能量增益，四倍，从均匀的等离子体。虽然激光红移防止操作在井喷制度，该技术提供了增加的能量增益的加速器限制到线性制度的可用激光功率。这对于能够以高重复率操作的激光等离子体X射线源特别相关，这是高度追求的。
2020-01-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma Wakefield Acceleration with a Modulated Proton Bunch
研究了通过调制长质子束团可以获得的等离子体尾波场振幅。我们发现，在长聚束的限制相比，等离子体波长，加速场的强度是成正比的驱动聚束中的粒子数和成反比的横向聚束尺寸的平方。利用现有质子加速器的参数对标度律进行了详细的模拟测试和验证，并实现了大电场，达到1 GV/m的LHC聚束。在这种情况下，发现超过6 TeV的测试电子的能量增益。
2011-05-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation of stable ultra-relativistic attosecond electron bunches via the laser wakefield acceleration mechanism
在最近的实验中，利用激光尾场加速器（LWFA）在不同的区域产生了超相对论飞秒电子聚束。在这里，我们预测，即使阿秒聚束可以产生的LWFA由于快速感应加速器相位混合内的飞秒电子聚束。阿秒束团在LWFA外是稳定的，可以在真空中传播几十厘米而持续时间没有明显变化。我们的计算表明，阿秒聚束的形成的证据可以发现在相干感应加速器辐射的光谱从LWFA的。
2009-06-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron bunch injection at an angle into a laser wakefield
在激光尾流场加速器中，外部注入比等离子体波长长的电子束团可以产生能量扩展为几个百分点的飞秒超相对论束团。对不同结构的激光尾流场中的电子束团（如光阴极射频直线加速器产生的电子束团）注入进行了广泛研究。本文研究了一种新的外注入方式，即电子束团以小角度注入尾场。这样可以避免有质动力散射以及真空等离子体过渡区，这往往会破坏注入聚束。在我们的模拟中，激光脉冲动力学的影响也被考虑在内。结果表明，在一个角度注入可以提供压缩和加速电子束团小于2%的能量扩展。该方案的另一个优点是，它对注入聚束的尺寸的要求不那么严格，并且有可能捕获更多的电荷。
2008-11-14 physics.plasm-ph
Two-Pulse Ionization Injection into Quasi-Linear Laser Wakefields
我们描述了一种用于控制电子注入到由引导驱动脉冲驱动的准线性尾场的方案，该方案通过具有短瑞利范围的共线注入激光脉冲电离掺杂剂物种。该方案通过粒子模拟进行了分析，结果显示电子的受控注入和加速达到370 MeV的能量，相对能量扩展为2%，归一化横向发射度为3.0 μm。这是原始APS论文的arXiv版本。它应该被引用为N。Bourgeois，J. Cowley，and S. M. Hooker，Phys. Rev. Lett. 111，155004（2013）。APS链接：http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.111.155004
2013-11-04 physics.plasm-ph
Direct observation of the injection dynamics of a laser wakefield accelerator using few-femtosecond shadowgraphy
我们提出了几个飞秒阴影快照期间的非线性演化的等离子体波在激光尾场加速器与横向同步的几个周期的探测脉冲。这些快照可以直接与等离子体波内的电子密度分布相关联，并给出有关其大小和形状的定量信息。我们的研究结果表明，电子自注入到第一等离子体波周期是由第一等离子体周期的延长。三维粒子在细胞模拟支持我们的观察。
2015-07-31 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Guided mode evolution and ionization injection in meter-scale multi-GeV laser wakefield accelerators
本文研究米级低密度等离子体波导中激光尾波场加速器的最低阶模式拍频效应，揭示其驱动电离注入并产生多GeV准单能电子束，提出三阶段模型解释实验观测。
2023-09-18 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
On the production of flat electron bunches for laser wake field acceleration
我们提出了一种新的方法注入电子到加速阶段的粒子加速器，产生低发射度的光束，甚至适合于苛刻的高能直线对撞机规格。本文利用强激光脉冲的偏振和聚焦特性，计算了强激光脉冲后等离子体尾流场加速相的注入。借助于突变理论，我们对注入动力学进行了分类。该方案使用结构稳定的制度，横向尾波破碎时，电子轨迹自相交导致形成一个扁平的电子束。如在三维粒子模拟中所示的激光脉冲在线焦点与欠密等离子体的相互作用，电子，通过横向尾波破碎和尾波加速注入，执行沿两个横向坐标具有不同的振幅和频率的电子感应加速器振荡。极化和聚焦的几何形状导致一种方法来产生相对论电子束与不对称的发射度（平束）。简要讨论了一种产生扁平激光加速离子束的方法。
2006-06-07 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ionization injection in a laser wakefield accelerator subject to a transverse magnetic field
通过理论分析和粒子模拟研究了激光尾场加速器（LWFA）中外加横向磁场对电子电离注入的影响。在施加几十特斯拉的磁场时，电子捕获条件和尾场结构都显著改变，使得注入发生在更短的距离上并且以增强的速率发生。此外，由于注入电子的本征椭圆形纵向电荷密度分布，束负载得到补偿。非线性电离注入和随之而来的补偿束负载导致的能量扩散的减少和增强的电荷和最终峰值能量的电子束从LWFA沉浸在磁场。
2018-06-28 physics.plasm-ph
Effect of the frequency chirp on laser wakefield acceleration
研究了激光尾波场加速器中激光频率啁啾的作用。我们表明，在线性制度，激光脉冲长度的演变是由频率啁啾的影响，和正（负）啁啾压缩（拉伸）激光脉冲，从而增加（减少）的峰值矢量势和尾场振幅。在熄灭机制中，频率啁啾可用于微调激光器前部的局部蚀刻速率。在我们的模拟中，啁啾激光脉冲可以导致15%以上的自陷电子，和10%以上的峰值能量相比，变换限制脉冲。啁啾可以用来控制尾流的相速度，并放松激光器前端的自导引条件。我们的预测证实了多维粒子在细胞模拟与OSIRIS。
2011-12-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Acceleration of Electrons in Plasma
这是对由强激光脉冲或粒子束驱动的等离子体尾场中电子加速的简要回顾，随后在葡萄牙塞辛布拉举行的2019年欧洲核子研究中心加速器学院等离子体加速器讲座。总结了目前激光尾场加速（LWFA）和束流驱动等离子体尾场加速（PWFA）实验中驱动源及其强度参数和工作参数的共性。介绍了能量限制，包括激光器的退相和耗尽长度，以及束驱动等离子体的Transformer比。引入了尾流哈密顿量的概念，并在相空间中确定了由此产生的粒子轨道，说明了如何确定加速电子的峰值能量和能量扩展。
2020-07-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Prompt acceleration of the $μ^+$ beam in a donut wakefield driven by a shaped Laguerre-Gaussian laser pulse
最近的反常磁矩实验数据有力地表明了标准模型之外新物理的存在。高能$μ^+$束是中微子工厂、未来μ子对撞机和$μ$ SR（自旋旋转、共振和弛豫）技术的潜在选择。提出了一种在成形拉盖尔-高斯（LG）激光脉冲驱动下环形尾场中对$μ^+$光束的瞬时加速方案。圆环尾场的前向部分可以有效地加速和聚焦正粒子束。LG激光器由近临界密度等离子体成形。整形后的LG激光器上升时间短，加速场大。由整形LG激光脉冲驱动的加速场是由正常LG激光脉冲驱动的加速场的6倍。模拟结果表明，在几皮秒的时间内，$ μ^+$束团可以从$200\mathrm{MeV}$加速到2GeV，并且$μ^+$束团的横向尺寸也从初始的$ω_0=5μm$聚焦到$ω=1μm$.
2021-05-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
