Enhancement of electron energy to multi-GeV regime by a dual-stage laser-wakefield accelerator pumped by petawatt laser pulses
激光尾流场加速提供了一个紧凑的电子加速器的承诺，用于产生多GeV的电子束使用由强激光脉冲引起的巨大的场梯度，相比于传统的射频加速器。然而，来自激光尾场加速器的电子束的能量和质量受到驱动激光脉冲的功率和靶介质中的相互作用性质的限制。近年来，随着激光技术的发展，人们已经实现了拍瓦级飞秒激光器，这为激光尾波场加速的研究提供了新的可能性。在这里，我们提出了一个显着增加激光驱动的电子能量的多GeV的水平，利用30 fs，1 PW激光系统。特别是，一个双阶段的激光尾场加速计划（注入器和加速器计划）被施加到提升电子能量超过3 GeV与一个单一的PW激光脉冲。三维粒子模拟证实了PW激光脉冲驱动的双级激光尾场加速器产生的多GeV电子。
2013-09-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Low Energy Spread Attosecond Bunching and Coherent Electron Acceleration in Dielectric Nanostructures
我们展示了一种紧凑的技术，压缩电子脉冲到阿秒长度，同时保持能量分布合理的小。该技术基于纳米光子硅结构中的介质激光加速（DLA）。与以前的弹道光学微聚束演示不同，我们使用调制解调器方案来压缩时间和能量坐标中的相空间。与第二阶段，我们表明，这些脉冲可以被相干加速，产生净能量增益$1.5\pm0.1$千电子伏，这是显着大于剩余的能量扩展的$0.88 \,_{-0.2}^{+0.0}$千电子伏半高宽。我们表明，通过线性扫描的相位之间的两个阶段，能量谱可以相干地移动在一个周期性的方式，同时保持能量扩散大致恒定。在离开聚束器之后，电子脉冲也被横向聚焦，并且可以被匹配到随后的加速器晶格中。因此，该设置是基于交替相位聚焦（APF）的可扩展DLA的原型注入器。
2020-08-05 physics.acc-ph physics.optics
Feasibility Study and Perspectives of proton Dielectric Laser Accelerators (p-DLA): from nanosource to accelerator scheme
本文讨论了在全介质激光驱动加速器（p-DLAs）中产生和加速质子纳米束的可能性。高梯度片上光功率介质激光加速器（DLAs）是未来小型化粒子加速器最有前途的发展方向之一。DLA的主要挑战是具有驱动激光波长量级的尺寸的小光束孔径，其中必须传输低电荷高重复（或CW）超低发射率纳米束。对于电子束的产生和加速，正在进行激烈的研究活动，并且已经通过使用馈送电介质微结构的电子纳米尖端（或平坦光电阴极）源获得了若干演示。在这篇文章中，我们的目标是在可能性集成的轻离子或质子纳米束的产生适合于随后的加速到亚相对论（低β）p-DLA阶段的纳米源。这种集成包括使用质子介电射频四极杆（p-DRFQ）的想法，用于桥接加速器前端和漂移管和高β部分之间的间隙。这篇论文是作为一本白皮书编写的，其中包括最先进的技术和新的解决方案，这些技术和解决方案现在使全纳米结构质子加速器的雄心勃勃的前沿变得触手可及。这里提出的p-DLA的概念研究可以使桌面质子纳米束用于几种应用：质子束写入、亚微米尺度的核反应分析、基于反应器的小型化质子-硼核聚变的构造、微米尺度的生物分析、亚细胞水平的离子束分析、用于保护浅层组织的微束离子疗法、晶体管的质子辐照、用于中子产生的紧凑型质子直线加速器。
2021-06-25 physics.acc-ph
Energy spread minimization in a beam-driven plasma wakefield accelerator
下一代基于等离子体的加速器可以在厘米距离内将电子束推到千兆电子伏的能量。由驱动脉冲激发的等离子体产生大的电场，其可以有效地加速拖尾见证聚束，使得从高能对撞机到超亮光源的实验室规模应用的实现成为可能。到目前为止，几个实验已经证明了显着的加速，但由此产生的光束质量，特别是能量扩散，仍然是远离最先进的传统加速器。在这里，我们展示了一个光束驱动的等离子体加速实验的结果，我们使用了电子束作为驱动器，其次是超短证人。该实验首次展示了一种创新方法，可实现约0.1%的加速见证的超低能量扩展。这比迄今为止所获得的数量级要小。其结果可能会导致一个重大的突破，对等离子体加速过程的优化，并在即将推出的紧凑型机器面向用户的应用程序的实施。
2020-06-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam Polarization at the ILC: the Physics Impact and the Accelerator Solutions
在这篇文章中，讨论了偏振光束的加速器解决方案及其对物理测量的影响。聚焦是在相互作用点附近进行精密偏振测量的物理要求，也是偏振源实现精密偏振测量的物理要求。基于参考设计报告（RDR）中描述的ILC基线计划，考虑到在100 GeV和250 GeV之间的束流能量的物理运行，以及Z极上的校准运行和1TeV升级和GigaZ选项，讨论和评估了最近的发展。
2009-03-17 physics.acc-ph
Simulation of Polarized Beams from Laser-Plasma Accelerators
偏振粒子束的产生仍然依赖于传统的粒子加速器，其通常在规模和预算上都非常大。基于激光驱动尾流场加速的概念在过去几十年中得到了大力推广。尽管在对基本物理现象的理解方面取得了许多进展，但一个基本上未被探索的问题是粒子自旋如何受到等离子体的巨大磁场的影响，从而产生高度偏振的光束。目前，ATHENA联盟内的Forschungszentrum Jülich（德国）、克里特大学（希腊）和上海SIOM（中国）的团队正在共同努力实现基于激光等离子体的偏振光束加速器。作为第一步，我们已经从理论上研究和确定的机制，影响光束的偏振在激光等离子体加速器。然后，我们进行了一组粒子在细胞模拟的加速电子和质子束从气体和箔靶。我们可以证明，如果采用高密度的预偏振气体靶，可以产生强偏振光束。在这些程序中，我们进一步提出，HT和HCl气体目标中的质子的极化在很大程度上是保守的激光尾场加速过程中，即使质子能量进入多GeV制度。这种极化的电子、质子、氘核和$^{3}$ He离子源目前正在于利希建造。（多）PW激光设施PHELIX（GSI达姆施塔特）和SULF（上海）的原理验证测量正在准备中。
2020-02-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Solid-state Tube Wakefield Accelerator using Surface Waves in Crystals
固体或晶体加速一直被认为是先进粒子加速的前沿。然而，提供$\rm TVm^{-1}$加速梯度的固态加速机制的实验研究受到几个技术限制的阻碍。主要的限制是阿秒粒子或光子源的不适用于激发集体模式在散装晶体。其次，有显着的困难与直接高强度照射散装固体，如由于晶体缺陷和碰撞等光束不稳定性，在这项工作中，我们模拟了一个实验上可行的固态加速机制，使用集体电子振荡晶体中，维持传播表面波。这些表面波在具有管壁密度$n_{\rm tube}\sim10^{22-24}\rm cm^{-3}$的管形纳米结构晶体中的亚微米长粒子束的尾流中被驱动。粒子在细胞（PIC）模拟实验约束下进行的证明了使用固态管尾流场加速制度访问几个$\rm TVm^{-1}$的平均加速度梯度的可能性。此外，我们的模拟表明，作为表面振荡和resultanity表面波过渡到一个非线性或“crunch-在”制度下$n_{\rm beam}/n_{\rm tube} \gtrsim 0.05$，不仅平均梯度增加，但强大的横向聚焦场延伸到管轴的可能性。这项工作表明，固态管尾场加速器（SOTWA）的近期实验实现。（根据提交要求进行截断）
2021-01-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
From Concept to Reality: Additive Manufacturing in Particle Accelerator and Storage Ring R&D at GSI and for FAIR
本文介绍GSI及FAIR项目中利用金属3D打印等增材制造技术开发新型加速结构和高效冷却板的研究进展，展示了该技术在粒子加速器与储存环研发中的潜力与经验。
2025-09-26 physics.acc-ph
Tailored electron bunches with smooth current profiles for enhanced transformer ratios in beam-driven acceleration
用于带电粒子加速的共线高梯度${\cal O} (GV/m)$束驱动尾场方法对于实现紧凑、成本有效的加速器是至关重要的，例如，支持TeV级轻子对撞机或多用户自由电子激光设施。为了使这些选择可行，高加速场需要用大的Transformer比$>2$来补充，该大的变压器比是表征尾流场激发的“驱动”束与加速的“见证”束之间的能量传递效率的参数。虽然已经讨论了几种潜在的电流分布，但由于其通常不连续的性质，它们的实际实现似乎具有挑战性。在本文中，我们提出了几个替代的电流分布，这是顺利的，也导致增强的Transformer比。我们特别探索了一种激光整形方法，能够直接从光注入器中产生一种建议的分布，并讨论了一种可能驱动电介质加速器的直线加速器概念。
2015-05-22 physics.acc-ph
Feasibility study of channeling acceleration experiment at the Fermilab ASTA facility
晶体沟道技术为加速器领域提供了各种机会，并为能源前沿的未来HEP对撞机提供了高梯度（TV/m）加速的可行性。沟道加速的主要挑战是，最终的加速梯度可能需要高功率驱动器在硬X射线制度（~ 40 keV），超过那些可想象的X射线到今天，虽然X射线激光可以有效地激发固体等离子体和加速晶体通道内的粒子。此外，在如此高的外部激发场下，只有一次性晶体加速器是可能的，该外部激发场将超过破坏原子结构的电离阈值，因此加速将仅在晶格完全解离之前的短时间内发生。碳基纳米结构以其广泛的柔韧性和优越的物理强度具有巨大的潜力，可以应用于沟道加速。本文介绍了束流驱动沟道加速的概念与碳纳米管和讨论可行的实验与先进的超导测试区（ASTA）在费米实验室和超越。
2015-02-06 physics.acc-ph
A diagnostic system of 5.7 keV muon beam for muon accelerator
University of Tokyo（东京大学）；High Energy Accelerator Research Organization（高能加速器研究机构）；Nagoya University（名古屋大学）；Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe, Nagoya University（名古屋大学小林-益川粒子宇宙起源研究所）；Okayama University（冈山大学）
针对低能缪子非破坏性诊断难题，开发了与J-PARC在建加速器兼容的紧凑型低能缪子诊断系统，可识别低能缪子信号并测量束流轮廓，为缪子加速器调谐提供支持。
2026-08-05 physics.acc-ph physics.ins-det
Collimators
粒子加速器的准直器系统必须有效地去除杂散粒子并提供防止不受控制的损失的保护。本文介绍了准直器的基本设计思想和实现方法。
2013-07-31 physics.acc-ph
Distributed matching scheme and a flexible deterministic matching algorithm for arbitrary systems
我们讨论的分布式匹配计划，在加速器中的横向光束相空间，振荡和运输的控制是通过灵活的分布超出专用的匹配部分的聚焦元件。除了将加速器设计从固定的匹配部分中解放出来之外，这种方案还具有许多操作优点，并且能够实现传统方案中不可能的流体光学操纵。与插值方案相结合，这可以带来一个新的范例，高效，灵活，鲁棒的光学控制。一个严格的和确定性的算法开发的实现。该算法本身就是一种匹配工具，具有鲁棒性和确定性的独特特征。束流相空间动力学被自然地集成到算法中，而不是像传统方案那样被视为通用的数值参数。它适用于更广泛的问题，如权衡所需的机器状态之间的竞争选项。
2018-08-04 physics.acc-ph
Study of 50 GeV proton beam focusing by novel crystal device
弯曲晶体应用于大型加速器上，用于粒子束的引出和准直。近年来，提出了在大型强子对撞机上进行固定靶研究的建议。为了实现这一方案，不仅可以使用偏转，而且还可以使用通过弯曲晶体聚焦LHC束流。本文报道了用新型晶体器件聚焦50GeV质子束的实验结果。该装置的积极特性是有机会在加速器的循环束附近工作，包括LHC。
2012-10-04 physics.acc-ph
Full realization of the RIBLL2 separator at the HIRFL-CSR facility
本研究在兰州HIRFL-CSR的RIBLL2上构建了新实验平台，通过400 MeV/u 40Ar和350 MeV/u 78Kr束流实验测试了其及新探测器的性能，结果证实了RIBLL2分离器的全面实现。
2025-04-30 nucl-ex physics.acc-ph physics.ins-det
Terahertz Acceleration Technology Towards Compact Light Sources
本论文中的概念包括三组：（1）快电子源，（2）太赫兹注入器和（3）太赫兹直线加速器。首先，基于纳米结构阴极的超快、高产额电子发射体的可行性得到了证明。利用场增强效应，即针尖增强和等离子体增强，可以在大尺寸、高密度、高均匀性的场发射阵列上实现激光诱导场发射。这些场发射阵列的理论原理进行了研究，并确认其适用于皮秒时间尺度上的皮库仑电荷生产。在太赫兹注入器的框架下，两个突破性的概念，包括超快单周期太赫兹枪和分段太赫兹电子加速器和操纵器（STEAM）设备的开发和测试。利用瞬态场实现接近0.5 GeV/m的加速梯度的可能性被证实。具体来说，STEAM设备能够执行多个高场操作的6D相空间的超短电子聚束被证明。利用这个由少量微焦耳、单周期、0.3 THz脉冲供电的单个设备，我们展示了>30 keV的创纪录THz加速、<10 fs分辨率的条纹、>2 kT/m强度的聚焦、压缩到~ 100 fs以及这些操作模式之间的实时切换。提出了一种基于介质加载金属波导的少周期激励行波太赫兹直线加速器。基于这一概念，通过直线加速器使用光产生的太赫兹脉冲的keV级的能量增益被证明。此外，电子加速到几十兆电子伏的毫焦耳级太赫兹脉冲的可能性从理论上表明。上述研究的最终目标是一个完全太赫兹驱动的紧凑型光源设备，其从开始到结束的模拟在本文中完成。
2019-06-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron phase space control in photonic chip-based particle acceleration
粒子加速器是科学、医院和工业中必不可少的工具。然而，其成本和占地面积大，长度从几米到几公里不等，限制了其使用。最近展示的基于纳米光子学的带电粒子加速可以将这些加速器的成本和尺寸降低几个数量级。在这种方法中，精心设计的纳米结构以相位同步的方式将能量从激光传输到粒子，从而加速它们。然而，到目前为止，粒子束在结构中的限制超过扩展的距离一直是难以捉摸的;它需要复杂的控制电子束相空间，是强制性的，以最小的粒子损失加速粒子到MeV的范围和超越。在这里，我们展示了复杂的电子相空间控制在光学频率在225纳米窄通道的记录长的光子纳米结构。特别是，我们实验表明交替相位聚焦，粒子传播计划，在原则上，任意长的最小损耗运输。我们希望这项工作能够在光子芯片上产生MeV电子束，直接衍生为新形式的放射治疗和紧凑光源，以及其他形式的电子相空间控制，从而产生窄能量或zeptosecond束。
2021-07-07 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
Electron bunch generation from a plasma photocathode
在强烈的相对论性激光或粒子束的尾流中产生的等离子体波可以在厘米级的距离内将电子束团加速到千兆电子伏（GeV）的能量。这允许实现具有新兴应用的紧凑型加速器，从现代光源如自由电子激光（FEL）到能量前沿轻子对撞机。在等离子体尾场加速器中，这种每米数吉伏（GV m $^{-1}$）的尾场可以加速外部注入或从背景等离子体捕获的见证电子聚束。在这里，我们展示了光学触发的电子束团的注入和加速，产生在多组分的氢和氦等离子体采用空间对齐和同步的激光脉冲。这种“等离子体光电阴极”通过直接在等离子体腔内释放隧道电离的氦电子来实现尾流激发的注入，然后这些冷电子被迅速提升到相对论速度。注入机制可以通过光密度下降斜坡注入来访问，是高度可调的，并且为产生具有前所未有的低横向发射度、高电流和6D亮度的电子束铺平了道路。这一实验路径为基于超高亮度光束的变革性等离子体尾场加速器应用开辟了许多前景。
2019-07-01 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
