Radiation emission in laser-wakefields driven by structured laser pulses with orbital angular momentum
高强度X射线源是非常宝贵的工具，使实验处于我们对材料科学、化学、生物学和物理学理解的最前沿。激光等离子体电子加速器是高强度X射线的来源，因为在尾场中加速的电子由于电子感应加速器振荡而发射短波长辐射。虽然已经展示了使用这些电子感应加速器源的相衬成像等应用，但其他应用将需要更高的光子数，并将受益于增加的可调谐性。在本文中，我们证明，通过详细的三维模拟，一种新的配置的激光尾场电子感应加速器源，增加了能量的X射线发射，也提供了更大的灵活性，在调整的X射线光子能量。这是通过结合两个拉盖尔-高斯脉冲与非零净轨道角动量，导致旋转的强度图案，因此，驱动尾场。由激光旋转驱动的螺旋运动被发现占主导地位的辐射发射，而不是电子感应加速器振荡。此外，这种螺旋运动的半径可以通过激光光斑尺寸和轨道角动量指数来控制，这意味着辐射可以完全独立于等离子体参数进行调谐。
2018-10-16 physics.plasm-ph
Phase-dependent bubble hosing and resonant amplification of betatron oscillation in few-cycle laser wakefield accelerator
本研究通过PIC模拟与理论分析，揭示了少周期激光尾场加速器中气泡呼吸效应引发电子束感应加速振荡参数放大、导致束质量下降的机制，为长尺度激光尾场加速研究提供了关键参考。
2024-08-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Restoring betatron phase coherence in a beam-loaded laser-wakefield accelerator
激光尾波场加速中的匹配束流加载，表征了加速电场沿束团的平坦状态，导致在高束团电荷时能量扩展最小化。在这里，我们证明了通过独立控制注入的电荷和加速度梯度，使用自截断电离注入方案，最小的能量扩散与归一化光束发散度的减少相一致。同时确认一个恒定的光束半径在等离子体出口处，推导出电子感应加速器辐射光谱，我们将这种效果的减少彩色电子感应加速器退相干。因此，束加载LWFA能够实现最高的纵向和横向相空间密度。
2021-06-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Non-invasive characterization of transverse beam emittance of electrons from a laser-plasma wakefield accelerator in the bubble regime using betatron x-ray radiation
我们提出并使用一种技术来测量激光尾流场加速的相对论电子束的横向发射度。该技术是基于由$v_{\perp}/v_{\parallel}$给出的电子束发散度、测量的纵向谱$γ_\parallel$和气泡$r_{\perp}$中的横向电子束团尺寸的同时测量。后者是通过测量气泡中加速电子束团发射的x射线的源尺寸获得的。我们测量了一个\textit{normalised} RMS束横向发射度$<0.5$ $π$ mm $\:$ mrad作为上限的空间高斯，光谱准单能电子束与230兆电子伏的能量在气泡制度与数值模拟和分析理论。
2011-05-27 physics.plasm-ph
Effect of a femtosecond-scale temporal structure of a laser driver on generation of betatron radiation by wakefield accelerated electrons
通过利用在相同能量下具有较短持续时间的激光驱动器，可以增加由激光尾场加速电子产生的电子感应加速器辐射的亮度。这种缩短是可能的脉冲压缩后，其非线性自相位调制在薄板。然而，这种方法可能导致相当复杂的飞秒尺度的脉冲时间结构。在这项工作中，数值模拟的结果表明，存在一个基座或预脉冲包含几个或更多的主脉冲能量可以抑制加速过程，并导致较低的能量的加速电子和产生的光子。同时，在主脉冲之后的最佳距离处存在相对长且强的后脉冲可以增强加速电子的振荡并增加电子感应加速器辐射的亮度。
2022-07-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Phase-Space Shaping due to Betatron Cooling in Wakefield Accelerators and the Onset of the Ion-Channel Laser
University of Oxford（牛津大学）
本研究针对高密度等离子体尾场加速器中电子感应辐射影响束流动力学的问题，发现电子感应冷却会引发束流相空间结构化，形成振荡振幅粒子数反转的环形结构，解析推导了特征时间尺度并经多维PIC模拟验证，为产生可触发相干电子感应辐射的自结构化束流提供了新机制。
2026-10-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulation of x-ray wakefield acceleration and betatron radiation in nanotubes
虽然晶体通道中的尾场加速已经被提出，但自从单循环光学激光压缩技术的发明以来，X射线尾场加速直到最近才成为现实的可能性。我们研究了固体材料内部纳米通道引导的相干超短X射线脉冲引起的尾场加速。通过二维粒子在细胞的计算机模拟，我们表明，TeV/cm的加速度梯度是可以实现的。这是约3个数量级强于传统的等离子体为基础的尾流场加速，这意味着一个非常紧凑的计划，以获得可再生能源的可能性。除了粒子加速外，该方案还能诱发~O（10-100）MeV的高能光子发射。我们的模拟证实了这样的高能光子发射，这是在对比的光学激光驱动尾场方案诱导。此外，还讨论了高能电子发射率的显著提高。
2018-05-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Hard X-rays from laser-wakefield accelerators in density tailored plasmas
来自激光等离子体加速器的Betatron x射线源结合了紧凑性、高峰值亮度、飞秒脉冲持续时间和宽带光谱。然而，当用太瓦级激光器生产时，它们的能量到目前为止被限制在几千电子伏（keV），限制了可能的应用范围。在这里，我们提出了一个简单的方法，增加的能量和通量的数量级，而不增加激光能量。相对论电子发射的辐射的轨道控制使用密度定制的等离子体，使Betatron源的效率显着提高。
2019-09-16 physics.plasm-ph
Compact Spectroscopy of keV to MeV X-rays from a Laser Wakefield Accelerator
我们重建光谱的二次X射线从一个可调谐的250-350兆电子伏的激光尾场电子加速器从单次拍摄的X射线深度能量测量在一个紧凑的（7.5 $\times$ 7.5 $\times$ 15厘米），模块化的X射线热量计交替层的吸收材料和成像板。X射线的范围从几keV的电子感应加速器到几MeV的逆康普顿到>100 MeV的韧致辐射，并且可以单独或混合使用。Geant 4模拟单能量X射线在堆栈中的能量沉积，生成给定堆栈配置的能量与深度响应矩阵。一个迭代重建算法的基础上的分析模型的电子感应加速器，逆康普顿和韧致辐射光子能量分布，然后展开X射线光谱，通常在一分钟内。我们讨论了测量和重建方法的不确定性，局限性和扩展。
2021-03-02 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
Resonant RF Wakefield Coupling for Radiation-Reaction Control of 3D Betatron Dynamics in Hybrid Laser Plasma Accelerators
Alzahra University（阿尔扎哈拉大学）
本文研究了混合激光等离子体加速器中通过共振射频腔体耦合控制三维betatron动力学的辐射反应问题，结合分析模型和PIC模拟，揭示了射频场与自然betatron频率的共振机制及其对束流稳定性的影响。
2026-04-27 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Synergistic Laser Wakefield/Direct Laser Acceleration in the Plasma Bubble Regime
提出了激光尾流场/直接激光等离子体混合加速器的概念。在激光脉冲产生的等离子体泡内经历共振电子感应加速器振荡的相对论电子通过直接从激光脉冲及其等离子体尾流获得能量而被加速。自注入等离子体电子的所得分叉相空间包含经历超过标准一维极限的尾流场加速的群体，这是因为其运动的多维性质减少了电子与尾流之间的相位滑移。
2014-12-22 physics.plasm-ph
Enhanced betatron-radiation energy using two collinear laser pulses
本文提出了一种新的非线性（腔）区激光尾场加速器自注入方案，利用一对匹配的、同向传播的激光脉冲产生pC电子聚束。通过调整它们的相对延迟和强度，对于相同的总能量，与单脉冲方案相比，随后的电子感应加速器辐射能量可以显著地增强$(\times 3)$。一个新的最佳气泡尺寸的条件推导和验证的粒子在细胞模拟，展示了双脉冲计划的优势，自喷射。
2018-07-23 physics.plasm-ph
Enhanced betatron radiation by steering a low-energy-spread electron beam in a deflected laser-driven plasma wiggler
激光尾流场加速器（LWFA）在产生高质量高能电子束（e束）的同时，还能通过电子感应加速器（Betatron）辐射产生明亮的X射线源，这对超快科学的泵浦探测研究具有重要的应用前景。然而，为了获得高质量的电子束，电子注入和加速应仔细操纵，其中必须避免大的振荡幅度，因此发射的X射线产率是有限的。在这里，我们报告了一个新的计划，实验上提高电子感应加速器辐射显着的光子产额和光子能量分离的电子注入和加速从操纵的电子束横向振荡在尾流通过引入倾斜的薄等离子体折射板。粒子模拟表明，电子束横向振荡幅度可以增加超过10倍，转向后，由于在板的边界处的折射偏转的激光驱动的尾流场。由于在等离子体摇摆器制度的低能量扩展的电子束的峰值能量的小的变化，可以抑制的X射线的光谱展宽。结果表明，高质量电子束的产生、折射和摆动可以作为一个整体，在一个紧凑的LWFA中实现单能电子束和亮X射线的同时产生。
2017-06-04 physics.plasm-ph
Role of direct laser acceleration in energy gained by electrons in a laser wakefield accelerator with ionization injection
利用粒子模拟方法研究了激光尾流场加速器准井喷工作模式下激光横向电场对电子加速的影响。为了确保纵向压缩和/或横向聚焦的激光脉冲是不需要的尾流可以自陷等离子体电子之前，我们采用了电离注入技术。此外，改变等离子体密度，使得在最低密度下，激光脉冲仅占据尾流振荡的第一波长的一部分（加速桶），而在最高密度下，相同持续时间的激光脉冲填充整个第一桶。虽然在所有情况下，由于离子柱，被捕获的电子执行电子感应加速器振荡，在最低的等离子体密度，他们不与激光场相互作用，能量增益都是由于纵向尾场。然而，随着密度增加，由于在激光脉冲的偏振平面中经历电子感应加速器运动的那些电子的直接激光加速（DLA），可能对最大能量有显著贡献。最终，DLA可以是由于最高密度下的纵向场而导致的加速的主要能量增益机制。
2014-04-19 physics.plasm-ph
Resonantly excited betatron hard X-Rays from Ionization Injected Electron Beam in a Laser Plasma Accelerator
本文报道了一种在激光尾场电子加速器中用纯氮气产生硬x射线的新方案。强Betatron x射线束产生电离注入氮的K壳层电子到加速波桶。X射线辐射显示出类同步辐射谱，总光子产额为8 $\times$ 10 $^8$ /次，$10^8$超过110 keV。特别地，在相同的激光参数下，与氦气的情况相比，电子感应加速器硬X射线光子产额高10倍。粒子模拟表明，x射线产额的提高是由于电离注入，这使得电子能够快速加速到驱动激光区，随后进行电子感应加速器共振。采用本方案，单级氮气靶可用于产生稳定的高亮度电子感应加速器硬x射线束。
2015-06-29 physics.plasm-ph
Mitigation of the hose instability in plasma-wakefield accelerators
目前的模型预测软管的不稳定性，关键限制等离子体尾流场加速器的适用性。通过开发一个分析模型，其中包括软管的不稳定性在长的传播距离的演变，这项工作表明，固有的驱动束能量损失，随着初始束能量扩散失谐的电子感应加速器振荡的束电子，从而减轻不稳定性。它还表明，锥形等离子体轮廓可以大大减少初始软管种子。因此，我们证明了驱动光束的传播可以在长距离的传播中保持稳定，为等离子体尾场加速器中高质量电子束的加速铺平了道路。我们发现我们的模型和粒子在细胞模拟之间的良好协议。
2017-05-08 physics.plasm-ph
Collimated Hard X-Rays from Hybrid Laser and Plasma Wakefield Accelerators
本研究利用混合激光与等离子体尾场加速方案实现betatron辐射协同增强，实验获得更高能量、通量的准直硬X射线，为紧凑型硬X射线源建立新范式。
2025-06-12 physics.plasm-ph
Laser-Polarization Dependence of Betatron X-Ray Production and Angular Collection in Laser-Wakefield Acceleration
Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP)（极轻基础设施-核物理研究所）；Horia Hulubei National Institute for R&D in Physics and Nuclear Engineering (IFIN-HH)（霍里亚·胡卢贝伊国家物理与核工程研发研究所）；ELI Beamlines Facility, Extreme Light Infrastructure ERIC（极轻基础设施欧洲经济利益集团光束线设施）
研究激光偏振对尾场加速中betatron X射线产生及角向收集的影响，发现LP与CP在不同阶段和靶长下产额各异，LP后期优势因角向展宽而减弱，但整体中心光子更多，CP照明更均匀。
2026-09-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation of ultrafast electron bunch trains via trapping into multiple periods of plasma wakefields
我们提出了一种新的方法来产生飞秒电子束通过激光驱动的尾场加速列车。我们使用两个独立的高强度激光脉冲，一个驱动器和注射器，每个都创建自己的等离子体尾流。激光脉冲和它们的尾流的相互作用导致自由电子通过几种机制周期性地注入驱动等离子体尾流中，包括有质动力漂移、尾流-尾流干扰和由强激光场直接预加速电子。电子列车产生了多达4个准单能束，每个分离的时间由等离子体周期。所产生的列车的时间分布推导出从梁加载的分析，并确认使用2D粒子在细胞模拟。
2020-03-05 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
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
Dynamics of Femtosecond Electron Bunches
在激光尾流场加速器中，一束持续时间为等离子体波周期量级的短脉冲激光将激发出异常强的等离子体尾流波（激光尾流场）。最近关于激光尾场加速的实验[Nature（London）431，p.535，p.538，p.541（2004）]证明了具有百分之几数量级的相对低能量扩展的超短（具有几飞秒的持续时间）相对论性电子聚束的产生。我们研究了这种聚束在真空和激光尾流场中的动力学。结果表明，在这两种情况下，强大的聚束动力学已经在几毫米的传播距离。在真空中，束团半径和发射度迅速增长。后者是一群人的可聚焦性。我们发现，当飞秒束团在通道引导的激光尾流场中加速时，对于实际的束团长度，束团长度近似守恒。然而，在电子感应加速器频率的扩展导致快速电子感应加速器相位混合在轴上注入的聚束包络。当束团离轴注入激光尾流场中时，束团退相干导致束团归一化发射度的显著增加，在某些情况下，加速后束团的能量扩展也会增加。我们还讨论了一种可能的两级激光尾场加速器。
2007-08-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Modeling of three-dimensional betatron oscillation and radiation reaction in plasma accelerators
β振荡是激光或束驱动等离子体尾场加速器中的一种常见现象。在传统的模型中，等离子体尾流对相对论电子提供线性聚焦力，电子在一个横向方向上振荡，电子振荡频率与电子的$1/\sqrtγ$成正比，其中$γ$是电子的洛伦兹因子。用数值方法得到了电子感应加速器时间尺度上的运动的长期方程，并与原始方程进行了比较。除了已经发现的辐射反应引起的纵向和横向阻尼外，我们还根据长期方程给出了纵向相位漂移、电子感应加速器相移和电子感应加速器极化变化等现象。这项工作对未来的等离子体高能加速器和对撞机具有重要的参考价值。
2022-11-01 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Demonstration of the synchrotron-type spectrum of laser-produced Betatron radiation
在激光等离子体加速器中，当电子在激光尾流场中被加速和摆动时，产生了Betatron X射线辐射。利用10 ~ 100太瓦的高功率激光，在不同的相互作用机制下观测到了这种飞秒源，它产生的强X射线束在几千电子伏范围内。然而，所进行的光谱测量都没有足够的分辨率、带宽和信噪比来精确地确定单次激光发射的光谱形状，以避免发射到发射的波动。本文用单光子计数法对80 TW激光产生的Betatron辐射进行了表征。我们测量Single Shot光谱从8到21 keV的分辨率优于350 eV。所得到的结果与理论预测非常一致，并证明了这种辐射机制的同步加速器型性质。在我们的实验条件下，临界能量为Ec = 5.6 \pm 1 keV.此外，在这个能量范围内的源的功能打开新的前景，在时间分辨X射线科学的应用。
2011-04-12 physics.plasm-ph
Far-field constant-gradient laser accelerator of electrons in an ion channel
我们预测，离子通道中的电子可以通过同时与激光脉冲和反直觉地与减速电场相互作用来获得超相对论能量。减速场的关键作用是保持高振幅的电子感应加速器振荡，从而使恒定速率的能量流通过直接激光加速机制的电子。可以采用电子感应加速器运动的多个谐波。将电子注入到激光尾场加速器的减速阶段是该方案的一个实际实现。
2016-10-29 physics.plasm-ph
Profiling and variation of laser pulse parameters as a way to preserve the stability of self-injected bunches during excitation of a wakefield in plasma
该研究针对等离子体尾场激发中自注入束团易因横向电子感应加速振荡损毁的问题，通过X射线激光脉冲链的参数整形与调控，找到了获得稳定高质量束团的参数，为解决该问题提供了可行方案。
2023-10-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Femtosecond X-ray absorption spectroscopy in warm dense matter
在原子水平上探索和理解超快过程是一项科学挑战。飞秒X射线吸收光谱（XAS）是一种重要的实验探测技术，因为它可以同时揭示电子和原子结构，从而揭示它们之间的非平衡动力学相互作用，这是大多数超快机制的起源。然而，尽管付出了相当大的努力，仍然没有适合常规实验的飞秒X射线源。在这里，我们表明，从相对论激光等离子体相互作用的感应电子辐射结合了飞秒XAS的理想功能。利用该系统研究了飞秒激光脉冲作用下铜样品在极端温度和压力条件下的非平衡相变。我们测量了电子温度的上升时间低于100 fs。这第一个实验展示了电子感应加速器源的巨大潜力，并为一类新的超快实验铺平了道路。
2017-11-24 physics.plasm-ph
Attosecond betatron radiation pulse train
高强度X射线源是科学、技术和医学的重要诊断工具。这种X射线源可以在激光等离子体加速器中产生，其中电子由于其在激光脉冲的等离子体尾流中的电子感应加速器振荡而发射短波长辐射。当代可用的电子感应加速器辐射X射线源可以从几微米量级的源尺寸递送几飞秒量级的持续时间的准直X射线脉冲。在本文中，我们证明，通过粒子在细胞中的模拟，这样的源的时间分辨率可以提高一个数量级的发射相对论电子束的空间调制。该调制是通过电子束团与共同传播的激光束的相互作用来实现的，该相互作用导致产生等距的亚飞秒X射线脉冲的训练。训练的单脉冲之间的距离由调制激光脉冲的波长调谐。模型化的实验设置是可以实现的与当前的技术。潜在的应用包括超快基本过程的频闪采样。
2020-08-12 physics.plasm-ph
Single shot phase contrast imaging using laser-produced Betatron x-ray beams
具有实验室规模源的X射线相衬成像应用的发展受到获得一个图像所需的长曝光时间的限制。我们证明，使用Betatron X射线辐射时产生的电子被加速和摆动的激光尾流场腔，一个高品质的相位衬度图像的复杂的对象（这里，一只蜜蜂），位于空气中，可以获得一个单一的激光射击。在这个原理验证实验中使用的Betatron X射线源具有1.7微米的源直径，并产生临界能量E_c=12.3 ± 2.5 keV的同步加速器光谱，在整个光谱中每次发射10^9个光子。
2011-06-22 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Radiative depolarization of high-energy electron beams in wakefield accelerators
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫大学）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
研究高能电子束在wakefield加速器中的辐射去偏极化效应，分析辐射效应如何影响束流偏极化，并探讨高能条件下束流与wakefield的对齐关系。
2026-05-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ultrafast Pulse Radiolysis Using a Terawatt Laser Wakefield Accelerator
我们报告的第一个超快脉冲辐解瞬态吸收光谱测量从太瓦超快高场设施（TUHFF）在阿贡国家实验室。TUHFF拥有一个20 TW的钛：蓝宝石激光系统，使用激光尾场加速产生10 Hz的2.5 nC亚皮秒脉冲的多MeV电子。该系统已专门优化为动力学测量的泵探测方式。这需要对许多发射进行平均，这需要稳定、可靠地产生电子脉冲。后者被用来产生过量的电子在脉冲辐解液态水和高氯酸的浓溶液。酸性溶液中的水合氢离子与水合电子反应，导致在皮秒时间尺度上在800 nm处的瞬态吸光度的快速衰减。几皮秒的时间分辨率已被证明。电流时间分辨率主要由样品的物理尺寸和检测灵敏度决定。亚皮秒时间分辨率可以通过使用更薄的样品、更灵敏的检测技术和改进的电子束质量来实现。
2006-08-09 physics.ed-ph physics.plasm-ph
Transverse Oscillating Bubble Enhanced Laser-driven Betatron X-ray Radiation Generation
超快高亮度X射线脉冲已被证明是非常宝贵的广泛的研究。这种脉冲通常是通过使用大型设施从相对论电子聚束的同步辐射产生的。最近，基于激光尾场加速（LWFA）电子束的更紧凑的X射线源已被证明。特别地，激光驱动源（其中辐射由等离子体加速器结构内的电子的横向振荡（所谓的电子感应加速器振荡）生成）可以使用非常简单的设置来生成高度明亮的超短X射线脉冲。在这里，我们实验证明了一种方法，以显着提高和控制参数的LWFA驱动的电子感应加速器X射线发射。与我们的新的横向振荡气泡增强Betatron辐射（TOBER）计划，我们显示了显着增加所产生的光子的数量，通过专门操纵的Betatron振荡的振幅。我们实现这一点，通过协调的演变的时间激光脉冲的形状和加速等离子体结构。这导致执行大振幅集体横向电子感应加速器振荡的电子的受控离轴注入，从而导致增加的辐射发射。我们的概念持有承诺的方法，以优化特定应用的X射线参数，如时间分辨的调查与空间和时间的原子分辨率或先进的高分辨率成像模式，并产生X射线光束具有更高的峰值和平均亮度。
2022-02-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ultrafast hard X-ray sources based on Relativistic Electrons at ELI Beamlines
我们报道了ELI光束线上LWFA驱动X射线源的发展。ELI伽马射线束线提供能量从1-100 keV的电子感应加速器方案中的X射线脉冲，以及高达MeV的康普顿方案。使用最先进的Ti：Sa二极管泵浦HAPLS激光器（10-30 J，30 fs@10 Hz）作为这些X射线源的驱动激光器。这些光源具有发散角小（< 10 mrad）、光源尺寸小（几μm）、脉冲宽度短（几fs）和光子通量高达1010光子/脉冲的特点。此外，ELI等离子体物理平台（P3）正在开发一个单独的Betatron X射线源，该源将作为各种等离子体物理实验的主动诊断。P3致力于实验室天体物理学，HED物理学，多束实验，温暖的致密物质和基础研究。除了介绍两种X射线源外，我们还将介绍一种新的光学探测方法，该方法具有更高的干涉灵敏度，可用于表征低密度气体射流。的灵敏度一起实现使用一种新的光学配置，采用多个通道的探测光束通过的对象和中继成像的对象之间的个人通行证，和一个短的探测光束（405 nm）。
2022-02-10 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
Nonlinear Inverse Compton Scattering from a Laser Wakefield Accelerator and Plasma Mirror
我们用250 MeV激光尾场电子加速器和等离子体反射镜通过逆反射未使用的驱动激光从加速的电子散射来产生线性和非线性机制的逆康普顿散射X射线。我们使用CsI（Tl）体素化闪烁体来表征X射线，该闪烁体测量它们的总能量和发散度作为从加速器出口到等离子体镜距离的函数。在每个等离子体镜位置处，这些X射线性质与驱动加速器之后的激光脉冲的测量的通量和推断的强度相关，以确定激光强度参数$a_0$。结果表明，ICS X射线产生在$a_0$范围从$0.3\pm0.1$到$1.65\pm0.25$，并超过共传播韧致辐射和电子感应加速器X射线的强度至少10倍，在整个$a_0$的范围。
2021-06-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Carrier-envelope phase effects in Laser Wakefield Acceleration with near-single-cycle pulses
驱动激光尾场加速与极短的，近单周期的激光脉冲是至关重要的实现的电子源，可以在kHz的重复率，同时依赖于适度的激光能量。从基本的观点来看，这也是有趣的，因为有质动力近似对这样短的脉冲不再有效。通过粒子模拟，我们展示了等离子体响应如何在激光偏振平面上变得不对称，并依赖于激光脉冲的载波包络相位（CEP）。对于自注入的情况，这反过来又强烈影响注入电子的初始条件，导致电子束的集体电子感应加速器振荡。结果，电子束指向、电子能谱和发射的电子感应加速器辐射的方向变得依赖于CEP。对于密度梯度中的注入，对射束指向的影响减小，并且电子能谱是CEP无关的，因为电子注入主要是纵向的并且主要由密度梯度确定。我们的研究结果突出了在这个制度中的CEP控制的重要性，以产生稳定的和可重复的相对论电子束，并确定如何CEP效应可以在实验中观察到。在未来，CEP控制可能成为控制加速电子束的能谱或指向的附加工具。
2020-10-14 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Self-modulated laser wakefield accelerators as x-ray sources
高能量密度的科学实验需要发展一种能量大于50 keV的定向、小发散、短持续时间的皮秒X射线探测束。因此，我们探索通过粒子在细胞（PIC）的计算机模拟的可能性，使用电子感应加速器的电子从自调制激光尾场加速器作为一个可能的候选人，以满足这一需要辐射的X射线。两个OSIRIS 2D PIC模拟与移动离子，一个与归一化矢量势a0 = 1.5，另一个与a0 = 3。我们发现，在这两种情况下，直接激光加速（DLA）是一个重要的额外的加速机制，除了纵向电场的等离子体波。这些机制一起产生具有连续能谱的电子，对于a0 = 3的情况，最大能量为300 MeV，并且在a0 = 1.5的情况下，最大能量为180 MeV。计算了a0 = 3情况下光子能量高达100 keV的前向X射线辐射，a0 = 1.5情况下光子能量高达12 keV。X射线光谱可以用两个同步加速器光谱的总和拟合，在激光器的偏振平面中，对于a0为3，临界光子能量为13和45 keV，对于a0为1.5，临界光子能量为0.3和1.4 keV。对于a0 = 3，X射线的半最大发散角全宽为62 x 1.9 mrad，对于a0 = 1.5，全宽为77 x 3.8 mrad。
2015-10-05 physics.plasm-ph
High-energy betatron source driven by a 4-PW laser with applications to non-destructive imaging
拍瓦级激光器通过激光尾场电子加速可以产生多GeV的电子束。作为一个副产品，加速的电子束可以产生广泛的同步辐射，称为电子感应加速器辐射。在目前的工作中，我们测量从2 GeV，215 pC的电子束，这表明了一个广泛的辐射光谱的临界能量为515 keV，扩展到MeV的光子能量和10 mrad的发散产生的辐射的属性。由于其高能量和通量，这种辐射是致密物体伽马射线照相术的理想候选者。我们采用了一个紧凑的电子感应加速器辐射设置操作在相对较高的重复率（0.1赫兹），并用它来扫描厘米大小的对象：DRAM电路，BNC和SMA连接器，挂锁和气体喷嘴。GEANT 4模拟进行再现的气体射流的射线照片。该装置和辐射源可以在亚毫米级揭示物体的内部结构，证明它可以进一步应用于诊断各种部件中的裂纹或孔。这里介绍的辐射源是一个有价值的工具，用于无损检测和高能量密度物理学，如核聚变。
2022-11-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Temporal evolution of longitudinal bunch profile in a laser wakefield accelerator
由于其超短的持续时间和峰值电流在kA范围内，激光尾场加速电子束团是有前途的驱动器，用于超快X射线产生的紧凑型自由电子激光器（FEL），汤姆逊散射或电子感应加速器源。在这里，我们提出了第一个单次拍摄，高分辨率的测量的纵向聚束轮廓，而无需事先假设的聚束形状。我们的方法允许复杂的功能，如多束结构，被检测。改变气体目标的长度，从而改变加速长度，使得能够评估加速过程期间的聚束轮廓演变。我们发现一个最小的聚束持续时间为4.2 fs（半高全宽），拍摄到拍摄的波动为11%均方根。我们的研究结果表明，激光能量耗尽后，从激光驱动的粒子驱动的尾场发生的过渡，与二次聚束的注入。由此产生的双聚束结构可能作为一个优雅的方法，驾驶员见证型实验，即允许一个非失相限制加速的二次聚束在等离子体加力阶段。
2014-06-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Tailored Three Dimensional Betatron Dynamics in UltraStable Hybrid Laser Plasma RF Accelerators
本文研究了超稳混合激光等离子体射频加速器中通过射频参数调控横向、纵向及极化动力学的机制，揭示了非线性共振与阻尼现象的控制方法。
2025-12-02 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
High Flux Femtosecond X-ray Emission from the Electron-Hose Instability in Laser Wakefield Accelerators
在激光尾场加速（LWFA）过程中，电子通过电子感应加速器（Betatron）振荡可以产生明亮的超短X射线脉冲。我们的实验测量使用的\textsc{Hercules}激光系统表现出显着增加X射线通量的相互作用距离超过耗尽/退相长度，其中初始电子束注入到第一个唤醒桶赶上激光脉冲前沿和激光脉冲耗尽。从LWFA制度的过渡到束驱动的等离子体尾场加速（PWFA）制度，因此发生。驱动电子束团易受电子软管不稳定性的影响，在其尾部迅速产生大幅度振荡，这导致X射线辐射的极大增强。我们使用可变长度的气室测量作为加速长度的函数的X射线通量。采用蒙特卡罗同步加速器X射线发射算法的三维粒子模拟阐明了辐射发射过程随时间的变化。
2018-03-27 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.optics
Laser polarization control of ionization-injected electron beams and x-ray radiation in laser wakefield accelerators
本文通过三维Particle-in-Cell模拟研究了激光偏振对LWFAs中电离注入电子束及贝塔辐射的影响，发现偏振状态显著改变电子束特性及辐射的空间分布与偏振特性，提供了一种调控电子束和X射线辐射的简便方法。
2023-11-24 physics.plasm-ph
Single-shot multi-keV X-ray absorption spectroscopy using an ultrashort laser wakefield accelerator source
利用激光尾场加速器产生的多keV X射线进行了单次吸收测量。用200 TW激光器驱动激光尾流场加速器，产生最大能量超过1 GeV、发散角为$\approx15$毫弧度半高宽的宽带电子束。这些电子的Betatron振荡在5 keV区域产生$1.2\pm0.2\times10^6$光子/eV，具有约300：1的信噪比。这足以允许在Single Shot中在钛样品的K边缘处进行高分辨率XANES测量。我们证明，这个源是能够单次拍摄，同时测量的电子和离子分布的物质加热到电子伏特的温度与DFT模拟比较。高通量、大带宽、几飞秒持续时间的X射线脉冲与高功率激光同步的独特组合将使超快能量过程（如电子-离子平衡）的研究取得关键进展。
2019-12-05 physics.ins-det physics.plasm-ph
High charge plasma electron bunches from two collinear laser pulses
采用三维粒子模拟方法研究了激光尾流场加速器的前向光注入方案。可以产生短至6 fs的准单能百pC电子聚束。最佳束分离距离被发现在交叉点处的注入束泡与收集体积横向注入到加速器束泡。它近似对应于等离子体波长。该方案的主要优点是局部注入高电荷。该注入机构可用于诸如超短和相对强的X射线辐射源（诸如电子感应加速器辐射或汤姆逊反向散射、时间分辨电子衍射）的应用或用于进一步加速级的播种。
2019-04-05 physics.plasm-ph
In-situ Generation of Polarized Attosecond Positron Bunches via Radiation-Wakefield Induced Two-Photon Pairs
School of Physics, Xi’an Jiaotong University（西安交通大学物理学院）
提出在单一等离子体阶段中通过辐射尾场诱导双光子对产生，原位生成并加速极化阿秒正电子束，实现百阿秒、GeV级、高密度且保持极化的正电子束团，同时解决产生、极化、压缩和注入问题。
2026-10-14 physics.plasm-ph
Accurate simulation of direct laser acceleration in a laser wakefield accelerator
针对传统PIC算法模拟激光尾波场加速器中直接激光加速存在误差、难以区分加速机制的问题，提出定制场求解器结合方位角模式分解的方法，提升了模拟精度且降低了计算单元需求，明确了高能电子的双加速机制能量贡献相当。
2023-03-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Controlling the spectrum of x-rays generated in a laser-plasma accelerator by tailoring the laser wavefront
通过调整激光尾流场加速器中激光脉冲的波前，我们证明了由于电子束在等离子体中的电子感应加速器振荡而产生的x射线的性质是可以控制的。我们发现，通过创造一个波前与彗差，同步加速器的x射线光谱的临界能量可以显着增加。彗差基本上不会改变电子束的能量，但会增加其发散度并产生能量依赖的出射角，这表明X射线光谱的变化是由于尾流场内电子束振荡幅度的增加。
2009-09-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Probing Ultrafast Magnetic-Field Generation by Current Filamentation Instability in Femtosecond Relativistic Laser-Matter Interactions
本文介绍了中等相对论性的超短激光脉冲与固体靶相互作用过程中产生飞秒时间尺度强磁场涨落的实验测量。这些领域进行了探测，使用低发射度，高度相对论性的电子束从激光尾场加速器，和线积分$B$ -场的$2.70 \pm 0.39\,\rm kT\,μm$进行了测量。三维的，完全相对论的粒子在细胞模拟表明，这种波动源于一个韦伯型的电流双折射不稳定性发展在亚微米尺度的照射靶表面周围，他们成长到足够强的振幅，以扩大探测电子束的角分布几十飞秒激光脉冲最大值后。我们的研究结果突出了尾场加速电子束的相对论激光驱动现象的超快探测的潜力。
2019-07-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Multi-messenger dynamic imaging of laser-driven shocks in water using a plasma wakefield accelerator
本文提出一种双探针多信使激光尾场加速器平台，以1 Hz频率结合超快X射线与相对论电子束探测激光驱动水靶冲击演化，揭示冲击压缩形态及电磁场中的电荷分离与离子分化现象，证明混合物理模型对聚变等离子体预测的必要性。
2025-07-03 hep-ex physics.plasm-ph
Demonstration of a tandem lens for producing shaped laser-ionized plasmas for plasma wakefield acceleration
本研究演示了由两个衍射光学元件构成的串联透镜装置，可聚焦高功率超快激光产生米级贝塞尔焦点，用于制备等离子体尾场加速的激光电离等离子体源，还介绍了透镜相位计算算法及性能预测。
2025-09-01 physics.acc-ph physics.optics 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
Magnetically assisted self-injection and radiation generation for plasma based acceleration
通过解析模型和数值模拟表明，外加磁场可以降低等离子体加速器的自陷阈值。此外，可以通过适当选择外部磁场的空间分布来选择发生自陷的横向位置。我们还发现，磁场辅助的自注入可以导致发射的电子感应加速器辐射在明确定义的频率。这种受控注入技术可以在当前/下一代等离子体/激光尾场加速器实验中使用最先进的磁场进行探索。
2012-10-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Multi-GeV Electron Combs from a Plasma Wakefield Accelerator
UCLA（加州大学洛杉矶分校）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）；University of Oslo（奥斯陆大学）；Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), CNRS, École polytechnique, ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（应用光学实验室，法国国家科学研究中心，巴黎综合理工学院，ENSTA，巴黎理工学院）；Department of Physics and Astronomy, UCLA（加州大学洛杉矶分校物理与天文系）；Department of Physics, University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校物理系）
研究利用等离子体加速器产生多GeV电子梳，通过驱动束周期性收缩及等离子体密度变化实现原位相空间塑造，产生具有特定能量和时间结构的微束团，为定制电子束能量 - 时间结构奠定基础。
2026-07-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
