Ion motion in the wake driven by long particle bunches in plasmas
我们探讨了背景等离子体离子运动在自调制等离子体尾场加速器中的作用。我们采用J. Dawson等离子体片模型，导出了窄束团极限下的横向等离子体电场和有质动力的表达式。我们利用这些结果来确定离子动力学的开始，并证明了离子运动可以发生在自调制等离子体尾场加速器。模拟结果表明，等离子体离子的运动可以导致自调制不稳定性和加速场的早期抑制。然而，背景等离子体离子运动可以通过使用具有较重等离子体的等离子体来完全减轻。
2014-09-15 physics.plasm-ph
Proton beam self-modulation seeded by electron bunch in plasma with density ramp
等离子体中的种子自调制可以将长质子束转换成可以在长距离上激发强尾流场的微束团的训练，但这需要等离子体具有一定的密度分布和短尺度的斜升。对于欧洲核子研究中心AWAKE实验的参数，我们数值研究了如果用短电子束团作为自调制的种子，哪种密度分布是最佳的。利用最佳剖面，可以将尾流场“冻结”在大约一半的破波水平。高能电子束（160 MeV）的种子效率低于低能电子束（18 MeV），因为前者的尾场持续时间比有效播种所需的时间长。
2020-07-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
2D structures of electron bunches in relativistic plasma cavities
研究了等离子体尾场爆发区超低发射度电子聚束的空间结构。在平衡切片模型（ESM）的框架下，考虑了粒子间相互作用的完全Liénard-Wiechert势。该模型使用准静态理论，该理论允许在不知道电子历史的情况下求解Liénard-Wiechert势。我们发现的平衡结构类似于已经观察到的六方晶格，但显示拓扑缺陷。粒子间距离的标度律从数值模拟和分析估计。
2018-05-03 physics.plasm-ph
Attosecond Control of Relativistic Electron Bunches using Two-Colour Fields
相对论强激光与物质相互作用过程中的能量耦合被编码在预先形成的等离子体-真空边界处的强驱动电子的阿秒运动中。研究和控制这种运动可以揭示微观过程的细节，这些微观过程控制着大量的光-物质相互作用物理学和应用。其中包括处于极端激光等离子体科学前沿的研究领域，如激光驱动离子加速1，明亮的阿秒脉冲产生2，3以及用于产生和研究温暖致密物质的有效能量耦合4。在这里，我们展示了阿秒控制的轨迹形成的相对论电子束团在这种相互作用通过研究极紫外（XUV）谐波辐射的发射。我们描述了如何精确地添加在驱动激光脉冲的第二谐波下操作的第二激光束可以通过修改由基频提供的加速电势来显著地改变相互作用以驱动强相干发射。数值粒子在细胞代码模拟和实验观察表明，这种修改是非常敏感的两个光束的相对相位，并可以导致显着增强所产生的谐波产量。这项工作还表明，控制这些极端的相互作用与阿秒精度的能力是产生超亮，高时间对比度阿秒辐射的原子和分子泵浦探测实验的基本要求5，6。
2016-10-06 physics.plasm-ph
Excitation of plasma wakefields by intense ultra-relativistic proton beam
本文给出了强流超相对论质子束激发非线性电子等离子体波的精确解析行波解。它带出的基本物理纵向电场特性的激发尾波形成的驱动梁后面。结果进一步补充了一个完全相对论粒子在细胞（PIC）代码OSIRIS在二维几何。模拟中的等离子体和束流参数的选择与实验工作一致，它为我们提供了预期的轴向和横向电场分布。进一步扩展调查提供了一个解析描述的尾波激发的等间距小质子束训练与列入非相对论等离子体离子动力学。结果表明，尾流场的振幅并不随质子束团数目的增加而无限增长。相反，它会饱和到一个明确的极限。
2020-04-03 physics.plasm-ph
Understanding time-resolved images of AWAKE proton bunches
本文研究AWAKE实验中条纹相机测得的质子微束列图像与等离子体出口实际束列的差异，通过粒子模拟传播粒子分布并引入诊断孔径与仪器分辨率，发现微束发散或尺寸变化及仪器分辨率会显著影响测量图像的电荷分布与调制深度。
2024-09-27 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High-quality multi-GeV electron bunches via cyclotron autoresonance
利用圆偏振聚焦高斯脉冲，对激光自共振加速电子进行了理论研究。多粒子模拟证明了产生10 GeV以上超高质量（相对能量扩展为10^-4量级）电子束团的可行性，适用于基础高能粒子物理学研究。所需的激光峰值强度和轴向磁场强度分别高达约10^18 W/cm^2（峰值功率约10 PW）和60 T。超过100 GeV的增益被证明是可能的，当使用弱聚焦脉冲从200-PW激光设施。
2013-07-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Proton Bunch Self-Modulation in Plasma with Density Gradient
实验研究了线性等离子体密度梯度对40 0 GeV质子束团自调制的影响.结果表明，当等离子体厚度为10 μ m时，微束团的数量和微束团的相对电荷随着等离子体厚度的增加而减少.测量的调制频率也在/减小。对于最大的正梯度，我们观察到调制功率谱中的两个频率。结果与线性理论预测的在自调制生长过程中，由于等离子体密度梯度增加到慢尾流场的相速度而引起的尾流场相速度的变化是一致的。
2020-07-31 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A Temporal Retrieval Method for Modulated Electron Bunches via Adaptive Kernel Reconstruction
University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
本文提出了一种新型时间检索算法，用于复杂调制电子束的相干过渡辐射诊断，通过时频分析分离并重建高频和低频成分，优于Kramers-Kronig方法。
2026-05-07 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.optics
Hosing Instability Suppression in Self-Modulated Plasma Wakefields
研究表明，当等离子体密度扰动为线性时，长粒子束团的自调制不稳定性饱和后，Hosing不稳定性可以被抑制。我们推导出最大束倾斜和种子的自调制不稳定性，以确保稳定的传播超过饱和的自调制的缩放。简化的hosing方程和三维粒子模拟的数值解证实了我们的分析结果。当粒子束或激光脉冲的训练激发线性尾流时，我们的结果也适用。
2014-04-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Relativistic electron beams driven by kHz single-cycle light pulses
激光等离子体加速是一种新兴的技术，用于在非常短的距离内将电子加速到高能量。加速的电子聚束具有飞秒的持续时间，使它们特别适用于超快成像或飞秒X射线产生等应用。目前的激光等离子体加速器通常由焦耳级激光系统驱动，这有两个主要缺点：相对较大的规模和较低的重复率，每秒最多只有几次发射。加速电子束的能量范围从100 MeV到多GeV，然而MeV电子源将更适合于许多社会和科学应用。在这里，我们展示了一个紧凑和可靠的激光等离子体加速器产生高质量的几兆电子伏的电子束在千赫重复率。这一突破是通过使用近单周期光脉冲实现的，这将驱动加速器所需的激光能量降低了三个数量级，从而实现了高重复率操作和激光系统的大幅缩小。测量的电子束团是准直的，其能量分布峰值为5 MeV，包含高达1 pC的电荷。数值模拟再现了所有的实验特征，并表明电子聚束只有$\sim 1$ fs长。我们预计，这些kHz飞秒相对论电子源的出现将为广泛的影响应用铺平道路，例如具有前所未有的10 fs以下分辨率的材料中的超快电子衍射。
2016-12-02 physics.plasm-ph
Extensive study of electron acceleration by relativistic surface plasmons
最近已经证明，用超强度（$I\sim 5\times 10^{19}$ W/cm $^2$）、高对比度（$\sim 10^{12}$）激光脉冲在经调制的固体靶上激发表面等离子体，沿着靶表面产生高能电子的准直聚束[Fedeli等人，物理修订信函116，5001（2016）]。在这里，我们报告了一个广泛的实验和数值研究，旨在一个完整的表征的加速机制，证明其鲁棒性和有前途的特性的电子源。通过比较不同的光栅结构，我们确定了相关的参数，以优化加速和获得聚束的$\sim 650$ pC的电荷在几个MeV的能量与闪耀光栅。
2018-02-15 physics.plasm-ph
Particle physics applications of the AWAKE acceleration scheme
AWAKE实验的运行1（2016-8）非常成功，首次展示了质子驱动的等离子体尾场加速，通过观察长质子束团调制成微束团和10米等离子体中电子加速至2 GeV。AWAKE Run 2（2021-4）的目标是将高电荷电子束加速到高能量（约10 GeV），通过等离子体保持光束质量，并显示该过程是可扩展的。因此，AWAKE方案是一种很有前途的方法，可以在短距离内将电子加速到高能，从而为粒子物理实验开发可用的技术。使用来自SPS的质子聚束，电子聚束的加速高达约50 GeV应该是可能的。使用大型强子对撞机质子束来驱动尾流场可能会导致多TeV的电子束，例如在4 km的等离子体中实现3 TeV的加速。本文概述了AWAKE方案在粒子物理学中的一些应用，并表明AWAKE技术可以导致独特的设施和实验，否则是不可能的。特别是，实验提出了寻找暗光子，测量强场QED和研究新的物理在电子-质子碰撞。此外，亦邀请业界考虑应用达TeV量级的电子束。
2018-12-22 hep-ex physics.acc-ph 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
Development of the Self-Modulation Instability of a Relativistic Proton Bunch in Plasma
本文实验研究相对论质子束在等离子体中的自调制不稳定性，发现增大束团横向尺寸与等离子体趋肤深度之比会延迟或抑制不稳定性，并讨论了对AWAKE实验升级等加速器设计的影响。
2023-05-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Measurement of the Saturation Length of the Self-Modulation Instability
Max Planck Institute for Physics（马克斯·普朗克物理研究所）；CERN（欧洲核子研究组织）；UCL（伦敦大学学院）；PARTREC, UMCG, University of Groningen（帕尔特雷克，乌得勒支大学医学中心，格罗宁根大学）；Uppsala University（乌普萨拉大学）；University of Manchester（曼彻斯特大学）；Cockcroft Institute（科克克罗夫特研究所）；Lancaster University（兰开斯特大学）；GoLP/Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa（等离子体与核聚变研究所，技术高等学院，里斯本大学）
本研究通过实验和数值方法首次测量了自调制不稳定性饱和长度，发现其随等离子体密度和初始场振幅减小，为等离子体wake场加速器的设计提供了关键参数。
2026-02-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Attosecond gamma-ray flashes and electron-positron pairs in dyadic laser interaction with micro-wire
本研究提出利用两束高功率激光与微丝靶作用的可调谐方案，先通过径向偏振激光产生低横向动量的短脉冲高电荷电子束团，再与反向激光碰撞，可生成高准直超高亮度阿秒GeV级γ射线及固体密度级电子-正电子对，为高能粒子源研究提供新途径。
2024-08-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Femtosecond 240-keV electron pulses from direct laser acceleration in a low-density gas
我们提出了一个简单的激光驱动的电子加速方案的基础上紧密聚焦的径向偏振激光脉冲的飞秒电子束团的生产与能量在几百keV的范围。在该方法中，电子在激光脉冲的纵向电场分量的作用下在聚焦体积中向前加速。三维测试粒子和粒子在细胞模拟显示的可行性，产生良好的准直电子束的能量扩散为5%，持续时间的顺序为1 fs。这些结果为超快电子衍射实验中前所未有的时间分辨率提供了一条途径。
2013-12-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Amplitude enhancement of the self-modulated plasma wakefields
种子自调制（SSM）已经被证明将长质子束团转换成许多等距的微束团（例如，唤醒情况），然后共振激发强尾流场。然而，均匀等离子体中的尾波场在达到峰值后，振幅迅速下降。这是由自调制期间尾流相速度显着降低引起的。大量的质子从聚焦和减速区域中滑出并丢失，因此不能对尾流场的增长做出贡献。以前建议的解决方案包括一个尖锐的或线性的等离子体纵向密度增加，可以补偿后向相移，从而提高尾场。在本文中，我们提出了一种新的等离子体密度分布，它可以进一步提高尾场幅度的30%。更重要的是，几乎24%的质子最初位于沿一个等离子体周期生存在调制后的微束。讨论了基本的物理学。
2018-05-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generating multi-GeV electron bunches using single stage laser wakefield acceleration in a 3D nonlinear regime
等离子体中的空间电荷波以比现有加速器大几个数量级的梯度加速带电粒子的非凡能力已经得到了很好的证明。我们发展了一个唯象的框架，激光尾场加速（LWFA）在三维非线性制度，其中等离子体电子被驱逐的短脉冲激光的辐射压力，导致几乎完全井喷。我们的理论提供了一个配方设计LWFA给定的激光和等离子体参数和估计的数量和能量的加速电子是否自注入或外部注入。这些公式适用于自引导以及外部引导脉冲（例如，通过等离子体通道）。我们用粒子模拟器（PIC）模拟了一个30 fs、200 T W的激光与一个0.75 cm长、密度为1.5*10^18 cm^-3的等离子体相互作用，产生一个1.5 GeV、电荷为0.3nC的超短（10 fs）单能自注入电子束。对于未来更高能量的加速器应用，我们提出了一个参数空间，这是不同于Gordienko和Pukhov [等离子体物理学12，043109（2005）]所描述的，因为它涉及较低的密度和较宽的光斑尺寸，同时保持强度相对恒定。我们发现，这有助于增加输出电子束能量，同时保持高效率。
2006-12-22 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
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
