Transport of intense ion beams in plasmas: collimation and energy-loss reduction
本文通过实验和粒子模拟研究强流质子束在氢等离子体中的输运，发现电阻性磁场导致束流准直和局部等离子体密度耗尽，从而解释实验中观察到的能量损失降低现象。
2023-04-13 physics.plasm-ph
Collimation of diamagnetic laser-driven plasma outflows by an ambient magnetic-pressure gradient
University of Delaware（特拉华大学）
研究通过磁流体力学模拟，探讨了激光驱动等离子体喷流在外部施加的环向磁场中沿磁场传播的机制，发现环境磁压梯度通过磁压约束喷流。
2026-04-03 physics.plasm-ph
Optical generation of quasi-stationary plasma electromagnetic structures for particle collimation with PetaWatt picosecond laser
本文提出一种基于螺旋状“蜗牛”靶的新型电磁导引装置，利用拍瓦皮秒激光产生准静态等离子体结构，通过增大孔径至亚毫米尺度实现对更宽粒子束的有效聚焦，并结合理论建模与实验数据验证其可行性。
2023-04-16 physics.app-ph physics.plasm-ph
All-optical Compton photon source generation via modulating pulse profile by convex focusing plasma mirror
产生高能$γ$射线的一个比较有效的方案是基于尾场加速和等离子体镜的全光康普顿散射，其中通常采用平面或凹面固体靶来反射驱动脉冲。对于平面等离子体镜情况，碰撞脉冲半径远大于加速电子束半径，导致激光利用效率降低。凹面等离子体镜可以有效地聚焦反射激光以匹配电子束半径。但由于碰撞激光的强横向场和较大的横波矢量，产生的光子束准直性较差。在这里，我们提出了一种新的机制，实现康普顿散射通过使用凸等离子体镜。凸形等离子体反射镜除了具有聚焦作用外，还增加了反射激光的纵向长度，从而保证了较长的碰撞时间和较大的激光利用效率。更重要的是，它使碰撞激光的横波矢量更小，从而保证了更好的光子束准直。
2022-04-17 physics.plasm-ph
Enhanced Proton Acceleration via Petawatt Laguerre-Gaussian Lasers
本文提出利用单个拍瓦级拉盖尔-高斯激光照射平面靶实现准直质子加速，较高斯激光方案质子能量提升60%至35 MeV，为高重复率质子束应用提供新途径。
2025-01-22 physics.plasm-ph
Laser Ion Acceleration Toward Future Ion Beam Cancer Therapy - Numerical Simulation Sudy-
离子束已被应用于癌症治疗，其独特的优越性在于将其主要能量沉积在人体内，从而使癌细胞被离子束杀死。然而，传统的离子加速器往往在其尺寸和成本方面是巨大的。本文提出了一种未来的强激光离子加速器，使离子加速器小型化。采用强飞秒脉冲激光加速离子。激光离子加速器中的问题包括激光到离子的能量效率、离子束准直、离子能谱控制、离子束聚束和离子粒子能量控制。在这项研究中，粒子计算机模拟来解决这些问题，每个组件的设计，以控制离子束质量。当强激光照射靶时，靶中的电子被加速离开靶，高能电子与靶离子之间暂时形成强电场，靶离子被加速。通过使用具有精细亚波长结构的固体靶或近临界密度气体等离子体，提高了从激光到离子的能量效率。离子束准直是通过固体靶后的小孔实现的。通过激光与靶的多级相互作用，成功地实现了对离子能谱和离子粒子能量的控制以及离子束的聚束。本研究提出了一个新的概念，为未来的紧凑型激光离子加速器，根据每个组件的研究，需要控制的离子束质量和参数。
2013-07-01 physics.plasm-ph
Efficient proton acceleration from laser-driven cryogenic hydrogen target of various shapes
本文从理论上研究了超短脉冲激光与不同形状低温氢靶相互作用的高能质子束与三维粒子的细胞模拟。在这里，我们表明，在激光和靶参数之间的适当条件下，质子被加速到高能量，主要是由于无碰撞冲击加速机制结合TNSA。给出了质子能量与激光场、靶形状和厚度的关系。结果表明，用强激光（20fs，2PW）辐照最佳厚度的低温氢靶，可以有效地产生小发散角的高能质子束（100MeV）。我们的结果还表明，衍射激光场强烈影响离子的准直，因为它通过旁边的质量有限的目标。这种方法预测了一种可能的途径来控制激光驱动离子源。
2018-01-22 physics.plasm-ph
Laser-driven collimated tens-GeV monoenergetic protons from mass-limited target plus preformed channel
研究了超强激光脉冲辐照截面小于光斑尺寸的抛物型密度通道靶对质子的加速。靶将激光分成两个平行的传播部分，这两个部分沿着它们的路径对背面等离子体电子进行雪犁，从而在它们之间的间隙中产生两个相邻的平行尾流和强烈的返回电流。被捕获在尾流场中的辐射压力预加速的靶质子现在经受准静态尾流静电场和磁场的加速以及准直。粒子模拟结果表明，在9.8 *10^21 W/cm 2的圆偏振激光脉冲作用下，可以实现稳定的长距离加速，产生峰值能量> 10 GeV、发散角<2 °的30 fs单能离子束。
2011-12-08 physics.plasm-ph
Coherent forward stimulated Brillouin scattering of a spatially incoherent laser beam in a plasma and its effect on beam spray
建立了空间非相干单色激光束在等离子体中传输的前向受激布里渊散射（FSBS）的统计模型。发现散斑的平均功率存在一个阈值，该阈值远低于自聚焦阈值，在该阈值以上，激光束的空间非相干性不能阻止FSBS的相干增长。三维模拟证实了它的存在，并揭示了发病的光束spray以上it.From这些结果，我们提出了一个新的品质因数的控制通过等离子体的空间非相干激光束的传播。
2008-05-20 physics.plasm-ph
Laser Pulse-Electron Beam Synergy: An Approach to Higher Electron Energy Gain in Laser Wakefield Accelerators
基于激光脉冲和电子束的共同作用，提出了尾场加速器中电子注入和加速的新方案。这种协同作用导致更强的尾流场生成和更高的能量增益中的气泡制度。在较低的激光功率和等离子体密度下，整个气泡的强烈变形导致电子自注入。为了预测电子束和激光脉冲参数的实际范围，提出了一个解释模型。研究了改变电子束初始位置对等离子体电子自陷的影响。在48 TW激光尾流场中，注入280 pC电子束，在减速阶段产生了高质量（25 fs）、高电荷量（340 pC）、1GeV的电子聚束。
2020-07-01 physics.plasm-ph
All-optical compact setup for generation of collimated multi-MeV proton beams with a "snail" target
本文提出一种全光学紧凑装置，利用激光在蜗牛靶中感应强磁场，准直约100 MeV质子束，数值模拟验证其有效性与磁场结构弱依赖性。
2025-01-26 physics.acc-ph physics.app-ph physics.plasm-ph
Quasi-monoenergetic Electron Beams from Laser-plasma Acceleration by Ionization-induced Injection in Low- density Pure Nitrogen
本文报道了用激光驱动4 mm长的氮气射流对电子束进行130 MeV的尾场加速。通过使用中等的激光强度（3.5*10^18 W.cm ^（-2））和相对较低的等离子体密度（0.8*10^18 cm^（-3）至2.7*10^18 cm^（-3）），我们已经实现了激光传播的稳定状态，从而稳定地产生电子束。实验研究了驱动激光能量与激光-等离子体通道和电子束参数的关系。所产生的电子束的质量进行了讨论的电离诱导注入机制的框架内。
2014-10-13 physics.plasm-ph
Robust direct laser acceleration of electrons with flying-focus laser pulses
Tel Aviv University（特拉维夫大学）；University of Rochester（罗切斯特大学）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）
针对高密度等离子体中直接激光加速受非线性传输效应干扰的问题，本研究采用超光速飞焦脉冲抑制该效应，经三维粒子模拟验证，其在高能电子产额、截止能量及X射线性能上均显著优于同能量强度的高斯脉冲，为激光-等离子体相互作用调控提供新途径。
2025-10-29 physics.plasm-ph
Optimal laser focusing for positron production in laser-electron scattering
旨在产生电子-正电子对的激光-电子束碰撞需要激光强度$I \gtrsim 10^{21} ~\textrm{W/cm}^2$，其可以通过将1-PW光学激光聚焦到小于10 $~μ$ m的光斑来获得。空间同步是一个挑战，因为坡印廷不稳定性，可以是一个相互作用的电子束（如果激光产生）和散射激光的关注。克服这个问题的一个策略是使用来自加速器的电子束（例如计划在FACET-II进行的E-320实验）。即使使用稳定的加速器光束，平面波近似也过于简单，无法描述激光-电子散射。这项工作扩展了对生产的分析标度律，以前推导的情况下，平面波和短电子束。我们考虑聚焦的激光束与不同形状和大小的电子束碰撞。结果考虑了相互作用的时空同步性，可推广到任意形状的光束，并为近期的实验提供了优化策略。
2021-06-03 physics.plasm-ph
Laser acceleration of a thin, inflated layer of heavy material by the radiation pressure applied to a self-generated, imperfect plasma mirror
本文研究了通过辐射压力加到自生的、不完美的等离子体镜（光子吸收概率η有限）上来加速超薄箔以产生高能（多GeV）重离子束。为了评估箔动力学，针对现象学参数η的恒定和相对论不变值，开发了相对论模型。作为所涉及的参数（η、以光速β为单位的目标平均翼速度等）的函数，评估了向物质传递动能的可实现效率。对于初始薄材料圆盘，计算了所产生离子束的期望准直度、相关能量范围、模型在η有限值下的自洽性以及对R-T不稳定性的存活率。
2010-05-25 physics.plasm-ph
Two stage $γ$ ray emission via an ultrahigh intensity laser pulse interaction with a laser-wakefield accelerated electron beam
利用粒子模拟方法研究了强激光脉冲与激光尾场加速电子束碰撞产生的双$γ$射线束。本文研究了均匀欠密预等离子体在固体箔片前的合成靶。在预等离子体中的电子被尾流场捕获和加速。当激光脉冲被薄的固体箔反射时，尾场加速的电子继续向前运动并穿过箔，几乎不受反射的激光脉冲和箔的影响。因此，两组$γ$射线闪光，具有可调的时间延迟和能量，产生的尾场加速电子束与反射的激光脉冲从箔以及另一个反向传播的拍瓦激光脉冲在后面的箔。研究了$γ$光子发射与预等离子体密度、驱动激光偏振态和薄膜的关系。
2020-02-22 physics.plasm-ph
Astrophysics of magnetically collimated jets generated from laser-produced plasmas
通过三维磁流体动力学模拟，研究了从磁准直激光产生的等离子体中产生与天体物理学相关的喷流。我们表明，对于激光强度I ~ 10^12 - 10^14 W/cm ^2，超过~ 0.1 MG的磁场可以将等离子体羽流准直到由激波包络限定的长形腔中，激波包络在其尖端处具有直立的锥形激波，其将流重新准直成超磁声射流束。这种机制相当于流体动力学惯性准直的天体物理模型，其中各向同性风通过限制的星周环面状包络聚焦成射流。结果表明，一个大规模的磁场从广角风产生喷流的另一种机制。（节略本）
2012-12-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Generation of high-energy electron-positron beams in the collision of a laser-accelerated electron beam and a multi-petawatt laser
在未来的高功率激光设施上，通过尾场加速的GeV电子与具有$10^{22}$ - $10^{23}$ $\mathrm{Wcm}^{-2}$峰值强度的反向传播激光脉冲的碰撞，将有可能通过全光学方案中的多光子Breit-Wheeler过程产生反物质。通过集成的三维粒子模拟，我们表明，生产的正电子束与0.1-1 nC的总电荷，100-400兆电子伏的平均能量和0.01-0.1拉德的发散是在即将成为可用的激光系统的范围内。还研究了正电子束的性质随激光参数的变化。
2015-10-12 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Dynamic Control of Laser Produced Proton Beams
强激光驱动质子的发射特性是利用在几ps时间尺度上变化的超强（10^9 V/m量级）静电场来控制的。场结构通过利用靶的高电势（在激光相互作用期间达到多MV）来实现。适当成形的靶导致质子束发散度的减小，并且因此导致质子通量的增加，同时保持高的束质量。峰值聚焦功率及其时间变化被示出为取决于目标特性，允许固有的高度发散的光束的准直和消色差静电透镜的设计。
2007-10-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ion Acceleration in Laser Generated Mega Tesla Magnetic Vortex
近临界密度靶的磁涡旋加速（MVA）是激光驱动离子加速的一种很有前途的方案。3D粒子模拟被用来探索一个更广泛的激光靶参数空间比以前报道的文献中，以及研究激光脉冲耦合到目标，场的结构，和MVA计划中的加速离子束的属性。加速效率取决于激光能量与目标中自生通道的耦合。加速质子束表现出高水平的准直与消色差角发散，并携带大量的电荷。对于PW级激光器，这种加速制度提供了有利的缩放的最大离子能量与激光功率优化的相互作用参数。激光驱动的同轴等离子体结构在靶中产生的兆特斯拉级磁场是将质子加速到几百MeV能量的先决条件。
2019-04-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma Lenses for Relativistic Laser Beams in Laser Wakefield Accelerators
将拍瓦级激光束聚焦成用于不同应用的各种光斑尺寸在成本、劳动力和空间方面是昂贵的。在本文中，我们提出了一种等离子体透镜，利用激光自聚焦效应灵活地调整激光束的大小。使用固定的常规聚焦系统将激光聚焦在等离子体前方的短距离处，我们可以在一定范围内调节有效激光束腰，就好像使用各种聚焦系统与等离子体透镜一起充当望远镜中的可调节目镜。这样的设置是一个强大的工具，激光尾场加速器实验在国家的最先进的拍瓦激光项目，并允许扫描焦斑参数。
2019-01-23 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Cascaded acceleration of proton beams in ultrashort laser-irradiated microtubes
提出了一种利用超短激光辐照微管的级联离子加速方案。当强激光脉冲将微管中的电子吹走时，在微管中沿轴向和径向都形成了强的电荷分离电场。通过控制激光脉冲与沿微管轴向注入的预加速质子束之间的时间延迟，我们证明了在激光辐照的微管中，瞬时轴向电场可以进一步加速质子束。此外，注入质子束的准直性可以通过向内的径向电场来增强。数值模拟表明，这种级联离子加速方案即使在非相对论激光强度下也能有效地工作，并且可以应用于能量范围为1 ~ 100 MeV的注入质子束。因此，它特别适合于级联加速质子到更高的能量。
2017-10-07 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Relativistic electron beam, Backward Raman scattering and soft x-ray laser
提出了一种软X射线激光方案。强可见光激光和相对论电子束之间的后向喇曼散射通过多普勒频移产生软X射线。设想了最强的软X射线光源之一。
2020-03-04 physics.flu-dyn physics.optics physics.plasm-ph
Practical Formula for Laser Intensity at Beam Spray Onset
本文给出了一个计算束流喷射起始时激光强度的实用公式，并将其应用于国家点火装置的惯性约束聚变。
2006-09-26 nlin.CD nlin.PS physics.optics
