On production and asymmetric focusing of flat electron beams using rectangular capillary discharge plasmas
提出了一种基于主动等离子体透镜技术的电子束团非对称聚焦方法。该方法利用毛细管放电等离子体内部产生的强非均匀磁场来聚焦超相对论电子。毛细管放电内的等离子体和磁场参数的理论描述和建模与耗散磁流体动力学的计算机模拟，使分析的毛细管的矩形横截面。大纵横比的矩形毛细管可用于传输具有高发射度不对称性的电子束，以及帮助形成空间平坦的电子聚束以用于在相互作用点之前的最终聚焦。
2017-12-08 physics.plasm-ph
Acceleration and focusing of positron bunch in a dielectric waveguide accelerator with homogeneous plasma in transport channel
本文给出了等离子体介质尾场加速器中正电子束团聚焦的数值PIC模拟结果。尾场由驱动电子聚束在石英介质管中激发，并嵌入圆柱形金属波导中。介质管的内部区域已经填充有径向均匀的等离子体，在一般情况下具有沿波导轴的真空通道。数值模拟结果表明，在尾流场中，正电子束团的加速和聚焦是可能的。研究了正电子束团的输运和加速与真空通道尺寸和波导长度的关系。
2021-12-11 physics.acc-ph physics.plasm-ph
The Effect of Laser Focusing Conditions on Propagation and Monoenergetic Electron Production in Laser Wakefield Accelerators
用实验和粒子模拟方法研究了激光尾场加速器中激光聚焦条件对相对论等离子体波演化的影响。对于短焦距（$w_0 < λ_p$）相互作用，光束分裂阻止脉冲的稳定传播。高场梯度导致电子的非局部相位注入，从而导致宽的能量扩展束。然而，对于长焦距几何形状（$w_0 > λ_p$），单个光学细丝可以捕获大部分激光能量，并且即使对于这些短脉冲（$cτ\approx λ_p$），也可以在与失相长度相当的距离上自引导。这使得尾流场演变成正确的形状，以产生单能电子聚束，正如实验中所测量的那样。
2007-01-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Direct laser acceleration in underdense plasmas with multi-PW lasers: a path to high-charge, GeV-class electron bunches
Institute of Plasma Physics, Czech Academy of Sciences（捷克科学院等离子体物理研究所）；University of Michigan（密歇根大学）；University of California San Diego（加州大学圣迭戈分校）
本研究通过优化激光聚焦策略，在低密度等离子体中实现高能电子束加速，为未来高能物理实验提供可能的技术路径。
2024-03-07 physics.plasm-ph
Electron source based on emergence of self-injected electron bunch at plasma wakefield excitation by a TW laser pulse
本文通过模拟数十毫焦、1-2太瓦激光脉冲激发等离子体尾场，研究均匀与高斯等离子体轮廓对自注入电子束能量的影响，证明可产生相对论性自注入束团，作为电子源用于激光加速实验。
2024-09-20 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam loading in the bubble regime in plasmas with hollow channels
基于已有的横向非均匀等离子体中强非线性尾流场（称为“泡”）的解析理论，我们研究了空泡和加速聚束泡的特殊行为。我们得到了一个解析表达式的形状在一般情况下的空载气泡，并验证它与粒子在细胞（PIC）模拟。我们推导出了任意加速聚束的加速效率的计算方法。研究了平顶电子聚束对气泡形状的影响。它还表明，它是可能的，以实现加速在一个均匀的纵向电场通过调整的纵向密度分布的加速电子聚束。通过三维粒子模拟验证了模型的预测结果，并与之吻合较好。
2016-06-23 physics.plasm-ph
High-quality positrons from a multi-proton bunch driven hollow plasma wakefield accelerator
利用空心等离子体，多束团质子可以很好地驱动非线性等离子体尾流场，在保持束流质量的情况下将电子加速到能量前沿。然而，正电子的加速是不同的，因为加速结构强烈依赖于电荷。在保持小的归一化发射度和小的能量扩散之间存在差异。这是由于用于为多个质子束提供聚焦的等离子体电子稀释正电子束的冲突造成的。通过加载一个额外的电子束来排斥等离子体电子，同时稍微降低等离子体密度以使加速相位以有利于正电子束的斜率移动，正电子束可以被加速到400 GeV（驱动器能量的40%），能量扩展低至1%，并且很好地保持了归一化发射度。高质量高能正电子的成功产生为未来的前沿轻子对撞机铺平了道路。
2018-09-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Positron acceleration via laser-augmented blowouts in two-column plasma structures
我们提出了一个正电子加速装置，它由一个电子驱动器和一个激光脉冲组成，产生一个双重等离子体柱结构。由此产生的尾流场是能够加速正电子束在长距离，即使考虑到司机的演变。该计划是通过粒子模拟研究。进一步得到了加速场和聚焦场的解析表达式，给出了见证聚束加速的平衡线。
2022-04-20 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Attosecond electron bunch generation by an intense laser propagation in conical channel with a curved wall
通过二维PIC模拟，研究p偏振激光在弯曲壁锥形通道中传播产生高密度、高能量阿秒电子束的方法，发现弯曲壁聚焦效果更强，电子束密度和最大能量显著提升，且双曲几何通道产生的电子束能长时间保持能量稳定。
2024-12-25 physics.plasm-ph
Attaining a strong-field QED signal at laser-electron colliders with optimized focusing
高能电子束与强激光脉冲的碰撞为研究高量子非线性参数$χ$的强场QED过程提供了基础。然而，由于过程的概率性质和碰撞参量的逐炮变化，信号去卷积是复杂的，这不利于使用紧密聚焦。我们提出了一种区分高$χ$发射信号的概念，该概念使得能够使用最佳聚焦来针对给定的电子能量$\varepsilon$、激光功率$P$和波长$λ$获得最高的$χ\approx 5.25 \left(\varepsilon / (\text{1 GeV})\right)\left(P/(\text{1 PW})\right)^{1/2}\left((\text{1 }μ\text{m})/λ\right)$。达到这样的f/2聚焦的$χ$需要10倍以上的功率。
2022-12-08 physics.optics 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
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
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
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
Unforeseen advantage of looser focusing in vacuum laser acceleration
本文实验研究真空激光加速，发现紧聚焦与松聚焦虽峰值强度差十倍却产生可比拟的电子加速结果，揭示焦点附近注入后加速机制的关键作用，并与三维粒子模拟结果一致。
2023-10-18 physics.plasm-ph
Characterisation of beam driven ionisation injection in the blowout regime of Plasma Acceleration
束驱动电离注入的特点是各种高Z掺杂剂。我们讨论了提取区域以及为什么电子被捕获的位置会影响内部注入聚束的最终质量。射束驱动电离注入依赖于在气泡闭合处产生高梯度场的能力，该高梯度场具有足够高的幅度以通过（高Z掺杂剂的）隧道效应电离仍然束缚的电子。电离的电子在加速和聚焦尾流阶段被非线性等离子体波捕获，从而产生高亮度的拖尾聚束。高Transformer比确保电离仅发生在气泡闭合处。电离注入的拖尾聚束的质量强烈地且非线性地取决于掺杂剂气体的性质（密度和初始电离状态）。我们使用全三维PIC代码${\tt ALaDyn}$来考虑该效应的高度三维性质。通过一个系统的方法，我们已经调查了发射度和能量扩展的形成和演变为不同的掺杂剂气体和配置。
2018-01-12 physics.plasm-ph
3-D particle-in-cell simulations for quasi-phase matched direct laser electron acceleration in density-modulated plasma waveguides
利用密度调制等离子体波导中的径向偏振激光脉冲，可以实现准相位匹配的电子直接加速。本文建立了一个三维粒子胞模型来描述DLA过程中激光场、注入电子和背景等离子体之间的相互作用。模拟研究了将中等能量的种子电子束团注入等离子体波导中，用相对低功率（0.5-2 TW）的激光脉冲进行DLA的方案。在等离子体波导中的DLA的一系列模拟中，已经研究了相对于激光脉冲、聚束长度和聚束横向尺寸的所选聚束注入延迟。结果表明，注入延迟对控制短电子束团的最终横向特性很重要，但也影响最终的能量增益。随着长的注入聚束长度，增强的离子聚焦力有助于准直电子，并且可以获得相对小的最终发射度。当注入具有更大横向尺寸的聚束时，DLA效率降低;此外，由于径向定向的洛伦兹力对电子的聚焦和散焦，清楚地观察到微聚束。DLA应在适当的激光功率下进行，以保持良好的聚束横向特性，而波导长度可以延长，以获得更高的最大能量增益，随着激光脉冲宽度和能量的相应增加。
2014-05-11 physics.plasm-ph
Generating 10 GW-class isolated zeptosecond x-ray bursts through bootstrapping two plasma-based accelerator stages
提出利用LWFA电子束驱动具有密度调制下降斜坡的PWFA级，产生极高密度和亮度的预聚束电子束，进而与光学波荡器对撞产生10 GW级孤立仄秒X射线脉冲，为核物理和量子电动力学提供探针。
2025-09-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Enhanced TNSA Ion Acceleration via Optical Confinement and Geometric Plasma Focusing in Annular Sector Targets
Iran University of Science and Technology（伊朗科技大学）
本研究通过光学约束和几何等离子体聚焦优化环形扇形目标，显著提升离子加速性能，将质子截止能量提高至22 MeV，碳离子能量超60 MeV。
2026-02-05 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
Pitch-angle scattering of energetic particles with adiabatic focusing
理解磁化等离子体中带电粒子的湍流输运通常需要一个模型来描述粒子俯仰角的随机变化。因此，用于描述平行于平均磁场的散射的俯仰角散射的福克-普朗克系数是至关重要的。而准线性理论假设均匀的平均磁场，这样的条件往往不满足，特别是对高能粒子。在这里，一个新的推导准线性的方法是基于未扰动的轨道上发现一个磁聚焦的平均磁场。结果表明，在均匀平均磁场的极限下，Fokker-Planck系数随聚焦长度与粒子Larmor半径之比的变化而发生明显的修正，但仍与经典公式一致.
2014-08-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Witness electron beam injection using an active plasma lens for a proton beam-driven plasma wakefield accelerator
有源等离子体透镜使用由通过等离子体的放电电流产生的磁场同时在水平和垂直平面上聚焦射束。使用100 T/m数量级的聚焦梯度，可以在短距离内获得5- 10 $μ$ m的光束尺寸。因此，有源等离子体透镜是用于等离子体尾场加速的有吸引力的元件，因为需要极小尺寸的见证电子束注入到等离子体尾场中以最小化发射度增长并提高捕获效率。当驱动电子束和见证电子束共同传播通过有源等离子体透镜时，必须考虑驱动电子束和见证电子束与等离子体之间的相互作用。在本文中，通过粒子模拟，我们讨论了使用主动等离子体透镜的电子束的最终聚焦的AWAKE运行2实验的可能性。证实了质子束团激发的等离子体尾波场的振幅即使在通过有源等离子体透镜后也保持不变。在透镜的等离子体密度斜坡区，见证电子束的发射度迅速增加。然而，当见证电子束具有100 pC的电荷、10 mm mrad的发射度和60 $μ$ m的聚束长度时，其发射度沿有源等离子体透镜的增长并不显著。对于小的发射度，如2毫米毫拉德，发射度的增长被发现是强烈依赖于RMS束的大小，等离子体密度，和多重库仑散射。
2021-12-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effective production of gammas, positrons, and photonuclear particles from optimized electron acceleration by short laser pulses in low-density targets
电子加速已被优化的基础上的3D PIC模拟的短激光脉冲与低密度等离子体靶相互作用，以找到脉冲传播制度，最大限度地提高高能量电子束团的电荷。这种机制对应于激光脉冲在自陷模中的传播，其中衍射发散由相对论非线性平衡，使得在轴上的相对论自聚焦不会发生，并且激光束半径在等离子体中的脉冲传播期间在许多瑞利长度上保持不变。如果脉冲长度大大超过等离子体波长和脉冲宽度两者，则对于近临界密度发生这样的制度。电子加速发生在充满高频激光场和纵向静电单循环场的移动腔中（“自陷区”）。蒙特卡罗模拟证明了高电子产额，可以有效地产生伽马辐射，电子-正电子对，中子，甚至π介子从捕捉器目标。
2019-09-13 physics.plasm-ph
Numerical calculations of a high brilliance synchrotron source and on issues with characterizing strong radiation damping effects in non-linear Thomson/Compton backscattering experiments
大量的理论计算研究了辐射反作用力对强场反向传播电子束-激光相互作用中辐射分布的影响，但是这些影响--包括量子校正--是否能在与真实的聚束和聚焦场的相互作用中观察到，正如许多即将提出的实验所希望的那样？我们提出了数值计算的角度分辨辐射光谱的电子束团的参数类似于激光尾场加速实验中产生的，与强烈的，超短激光脉冲相互作用。对于我们的参数，辐射阻尼对\emph{photons}的角分布和能量分布的影响是不容易辨别的一个"现实的"中等发射度电子束。然而，使用这种反向传播的光束-激光器几何形状的实验应该能够通过测量\emph{electron beam}性质来测量使用当前激光系统的这种效应。此外，该源的亮度非常高，峰值光谱亮度超过$10^{29}$光子$\,$ s $^{-1}$ mm $^{-2}$ mrad $^{-2}(0.1$ %带宽$)^{-1}$，效率约为2%，峰值能量为10 MeV。
2012-04-24 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Approaching Petavolts per meter plasmonics using structured semiconductors
一种新的强激发等离子体模式，打开了前所未有的每米千伏特电磁场的访问，承诺广泛的，变革性的影响。这些模式由导电介质中固有的超致密、离域的自由电子费米气体的大振幅振荡构成。这里，引入具有适当浓度的n型掺杂剂的结构化半导体，以调节费米气体的性质，用于使用容易获得的10微米总体尺寸的电子束和在管内发射的数百个皮库仑电荷来匹配激发静电表面“挤压”等离子体激元。通过匹配费米电子气的相对论振荡结果，使强激发成为可能，并揭示了独特的现象。相对论诱导弹道电子输运是由于平均自由程的相对论成倍增加而产生的，获得的弹道输运还导致超出欧姆定律的非常规热沉积。这解释了在导电样品与短于$\rm 10^{-13} seconds$的电子束相互作用的实验中没有观察到损伤或固体等离子体形成。此外，相对论动量导致电子气大量隧穿，使其能够穿过表面并在管内紧缩。相对论效应以及这些模式下的费米气体密度的大的局部变化需要动力学方法与粒子模拟相结合。实验验证的加速和聚焦的电子束在这里建模使用几十千兆伏每米的字段中激发的半导体与$\rm 10^{18}cm^{-3}$自由电子密度将铺平道路千伏特每米等离子体。
2022-08-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci hep-ex
