Signatures of the self-modulation instability of relativistic proton bunches in the AWAKE experiment
我们调查数值检测的自调制不稳定性在一个虚拟的检测器位于下游的等离子体的上下文中的觉醒。我们表明，密度结构，出现在时间分辨虚拟检测器，映射在等离子体出口处的横向束相空间分布。因此，质子束半径，出现增长沿聚束在检测器中的结果从发散增加沿聚束，与空间增长的自调制尾场。此外，检测器中的不对称聚束结构是聚束发散不对称的结果，并且不一定反映等离子体中的不对称束密度分布。
2018-03-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Focusing of a Long Relativistic Proton Bunch in Underdense Plasma
讨论了长相对论质子束团在欠密等离子体中传输时所经历的聚焦效应。我们表明，与2D准静态模拟的等离子体的存在下的束的响应提供了一个聚焦力的质子。我们讨论了等离子体的有限横向尺寸对过程动力学的影响，并介绍了欧洲核子研究中心AWAKE实验中进行的测量。
2023-02-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Seeding of Self-Modulation using Truncated Seed Bunches as a Path to High Gradient Acceleration
PARTREC, UMCG, University of Groningen（格罗宁根大学）；CERN（欧洲核子研究中心）；John Adams Institute for Accelerator Science, University of Oxford（牛津大学约翰·亚当斯加速器科学研究所）；Max Planck Institute for Physics（马克斯·普朗克物理研究所）；Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；University College London（伦敦大学学院）；Uppsala University（乌普萨拉大学）
本文提出了一种方法，通过截断种子束克服限制，实现高梯度粒子加速。实验表明，截断电子束自调制在更高等离子体密度下可重现，且种子 wakefield 幅度增加，有助于缩短达到自调制饱和所需长度。
2026-03-31 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Experimental Study of Wakefields Driven by a Self-Modulating Proton Bunch in Plasma
实验研究了等离子体中高度相对论性质子束团自调制时的纵向和横向尾流场。我们发现尾波场的增长和振幅随着种子振幅的增加以及等离子体中的质子束团电荷的增加而增加。我们研究横向尾场使用的最大半径的质子束分布测量屏幕上下游的等离子体。我们通过外部注入电子并测量其最终能量来研究纵向尾场。测量结果与理论和数值模拟预测的趋势一致，验证了我们对自调制发展的理解。实验是在先进尾场实验（AWAKE）的背景下进行的。
2020-07-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Adiabatic Focusing of a Long Proton Bunch in Plasma
我们在实验中表明，一个长的，相对论质子束集中的等离子体绝热响应。自由等离子体电子迁移以中和聚束的空间电荷场，并且聚束因此被由其自身电流产生的方位角磁场聚焦，该方位角磁场不被径向电场平衡。由于束团的长度远大于等离子体电子的波长，束团也经历自调制不稳定性。因此，尾波场的振幅沿束团和沿等离子体增长，并且自调制的散焦效应可以变得比绝热聚焦效应占主导地位。我们发现，当播种的自调制与前一个电子束，绝热响应的效果和自调制的效果之间的过渡依赖于种子尾场的振幅。
2022-08-25 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
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
Transverse self-modulation of ultra-relativistic lepton beams in the plasma wakefield accelerator
通过全尺度粒子模拟，研究了高密度等离子体中超相对论性长轻子束的横向自调制。我们表明，长SLAC型电子和正电子束可以成为强烈的自调制超过厘米的距离，导致尾流激发在井喷制度与加速场超过20 GV/m。我们表明，粒子的能量变化超过10 GeV可以发生在米长的等离子体。我们发现，当达到井喷时，带正电荷和负电荷的聚束的自调制不同。播种自调制不稳定性抑制竞争软管不稳定性。这项工作表明，可以用现有的轻子束和现有的实验装置和诊断方法进行原理验证实验，以测试束流自调制的物理特性。
2012-06-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Techniques to seed the self-modulation instability of a long proton bunch in plasma
本文介绍AWAKE实验中两种质子束自调制种子注入方法的实验结果，并探讨其对含等离子体密度阶跃的后续实验及未来两段式等离子体实验设计的影响。
2023-04-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron-Positron Collider Design -- simulations from long proton driven beam to 125GeV witness electron and positron bunches
本文通过模拟实验证明了基于等离子体加速器的正负电子对撞机的可行性。从SPS（superproton synchrotron）提供的17.612cm质子束出发，模拟表明长质子束在均匀等离子体中通过种子自调制可以在前半部分形成多个高质量的质子束团。然后，我们使用这些高质量的聚束在均匀等离子体中激发尾流场，并加速见证正电子和见证电子。模拟结果表明，在加速90 m后，见证聚束的平均能量约为125 GeV，平均加速梯度约为1.3 GeV/m。正电子-电子碰撞的质心能量约为125 GeV。讨论了输出见证聚束的能量扩展、见证粒子存活率、发射度和亮度。
2020-04-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma Light As Diagnostic For Wakefields Driven By Developing Self-Modulation Of A Long Particle Bunch
本研究提出利用等离子体原子线辐射光诊断长质子束自调制驱动的尾场，设计了可设置不同位置和高度密度阶跃的新型蒸汽/等离子体源，模拟显示百分之几的密度阶跃可使束流在数百米等离子体中驱动GV/m级尾场。
2024-10-31 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Mapping charge capture and acceleration in a plasma wakefield of a proton bunch using variable emittance electron beam injection
在AWAKE第一次实验运行的第二阶段（2018年5月至11月）中，使用电子束探测和测试铷等离子体柱中的质子驱动尾场加速。在这项工作中，我们分析了整体的电荷捕获和拍摄到拍摄的再现性质子驱动等离子体尾场加速器与各种电子束注入参数。见证电子束的产生使用的RF枪配备了Cs2Te光阴极照射的可剪裁的超快深紫外（UV）激光脉冲。UV束光学系统的构造使得能够适当的横向束成形和控制其脉冲持续时间、大小和在光阴极上的位置，以及相对于在质子束中播种等离子体尾场的电离激光脉冲的时间延迟。可变光电阴极照明提供了所需的灵活性，以产生具有可变电荷、发射度和注入等离子体柱的轨迹的电子聚束。我们证明了电荷捕获率超过15%（40 pC的GeV加速电荷为385 pC注入电子束）在优化的电子注入条件下。
2022-06-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Filamentation of a Relativistic Proton Bunch in Plasma
实验证明长、欠稠密相对论质子束在等离子体中发生斜向不稳定性（丝化），确定阈值条件，并发现磁能随等离子体密度增加。
2023-12-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Self-modulation instability of ultra-relativistic particle bunches with finite rise times
我们研究了有限上升时间的自调制不稳定性的演化。使用粒子在细胞中的模拟，我们表明，不像长串急剧上升时间，有很大的变化时，使用有限的上升时间的串的尾振幅和尾相速度。这些结果表明，使用具有急剧上升时间的聚束对于播种自调制不稳定性和确保稳定的加速机制是重要的。
2014-09-15 physics.plasm-ph
Self-modulation instability of a long proton bunch in plasmas
建立了一个相对论长质子束团在均匀等离子体中传输的自调制不稳定性的解析模型。自调制质子束团共振激发大振幅等离子体波（尾场），可用于加速等离子体电子。给出了线性增长率和幂级数的解析表达式。我们采用全三维粒子模拟方法研究了光束的自调制和向非线性阶段的跃迁。结果表明，质子束团的自调制与破坏等离子体波的软管不稳定性相互竞争。提出了一种方法，并通过PIC模拟研究，以规避这个问题，依赖于种子的自调制不稳定性的聚束。
2010-03-30 physics.plasm-ph
Interaction of ultrarelativistic electron and proton bunches with dense plasmas
在这里，我们讨论的可能性就业的超相对论电子和质子束产生高等离子体尾场在稠密等离子体中由于切伦科夫共振等离子体束相互作用。我们估计这样的唤醒和最小系统长度的最大振幅可以在给定的聚束参数产生。
2012-01-05 physics.plasm-ph
Simulation and Experimental Study of Proton Bunch Self-Modulation in Plasma with Linear Density Gradients
本文对沿束路具有线性密度梯度的等离子体中长质子束团的自调制进行了数值模拟和实验研究，模拟结果与arXiv：2007.14894v2中报道的实验结果一致：负梯度时，调制束团的电荷比正梯度时低。此外，聚束调制频率随梯度变化。模拟结果表明，尾流场相对于沿等离子体的相对论质子的退相是电荷损失的主要原因。调制频率的研究揭示了细节的自调制过程沿等离子体的演变。特别是对于负梯度，跨聚束的时间分辨图像的调制频率指示沿着质子离开尾场的等离子体的位置。模拟和实验结果非常吻合。
2021-07-23 physics.acc-ph 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
Experimental observation of proton bunch modulation in a plasma, at varying plasma densities
我们给出了直接的实验证据，观察到完整的横向自调制的相对论质子束通过稠密等离子体传播。束团离开等离子体的密度调制产生的径向尾场效应与等离子体频率的倒数周期。我们表明，调制种子通过使用一个强激光脉冲共同传播的质子束内创建一个相对论电离前的束。我们表明，通过改变等离子体密度超过一个数量级的调制周期尺度与预期的依赖于等离子体密度。
2019-04-01 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Natural noise and external wake field seeding in a proton-driven plasma accelerator
本文讨论了质子束流驱动等离子体加速器中自然散粒噪声散粒噪声的水平。等离子体尾流场所需的播种必须大于累积的散粒噪声。这是产生的尾流轴对称和加速质量的必要条件。我们开发的噪声场的分析理论，并比较它与多维模拟。看来，在等离子体中产生的自然噪声尾场由在欧洲核子研究中心的超质子同步加速器（SPS）聚束是非常低的，在几个10千伏/米的水平。这一幸运的事实减轻了对种子的要求。我们的三维模拟表明，即使是几十兆电子伏的电子束前体的一个非常温和的强度是足够的种子质子束自调制等离子体。
2012-04-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
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
Beam Diagnostics in the Advanced Plasma Wakefield Experiment AWAKE
在AWAKE中，自调制质子束团驱动等离子体中的尾流场。最近的实验成功地证明了驱动聚束的自调制以及测试电子的加速的许多方面。接下来的实验将集中在产生一个多GeV的加速电子束，具有低发射度和低能量扩散。该实验需要各种先进的束流诊断来表征皮秒时间尺度上的自调制质子聚束。这些包括光学跃迁辐射和一个条纹相机，用于短时间和长时间尺度的详细成像的自调制和软管，相干跃迁辐射的调制频率测量在100-300 GHz的频率范围和多个荧光屏的核心和晕测量。将给出这些诊断的概述。
2020-12-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Transition between Instability and Seeded Self-Modulation of a Relativistic Particle Bunch in Plasma
我们利用相对论电离锋来提供不同的初始横向尾场振幅，用于等离子体中长质子束团的自调制。我们的实验表明，有足够的初始振幅（$\ge(4.1\pm0.4)$ MV/m），沿束的调制的相位是可再现的事件到事件，3至7%（2 $π$）均方根变化沿束。对于较低的初始振幅，相位不可再现。我们观察这两种制度之间的过渡。相位再现性是确定性的外部注入粒子加速是必不可少的。
2020-12-17 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
Generation and acceleration of high brightness electrons beams bunched at X-ray wavelengths using plasma-based acceleration
我们表明，使用粒子在细胞（PIC）模拟和理论分析，高品质的电子束，其密度调制在埃尺度可以直接使用密度下降斜坡注入在一个周期性调制的密度在非线性等离子体波尾场。密度调制在调制期间开启和关闭电子的注入。由于电子的初始位置和它们在尾流内部的最终捕获位置之间的独特纵向映射，这导致具有比等离子体密度调制短的波长数量级的密度调制的电子束。两束同频反向传播的激光的有质动力可以在激光波长的一半处产生密度调制。假设激光波长为$0.8\micro\meter$，完全自洽的OSIRIS PIC模拟表明，该方案可以产生高质量的光束调制在10 μ s和100埃之间的波长。这样的光束可以通过共振波荡器产生完全相干的、稳定的、数百GW的X射线。
2020-10-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
On the robustness of spin polarization for magnetic vortex accelerated proton bunches in density down-ramps
利用粒子模拟方法研究了密度下降对近临界密度气体靶中离子磁涡旋加速（MVA）的影响。加速质子的自旋极化对于约80%的各种斜坡长度是稳健的。斜坡长度的显着增加是伴随着低偏振质子准直成最终的光束和大的横向扩展的高度偏振的质子相对于激光传播的方向。
2021-05-28 physics.plasm-ph
AWAKE readiness for the study of the seeded self-modulation of a 400\,GeV proton bunch
AWAKE是一个质子驱动的等离子体尾场加速实验。本文所述的实验装置可用于研究400，GeV质子束团在10 m长、密度可调范围为1 ~ 10 $\times10^{14}$，cm $^{-3}$的铷等离子体中的种子自调制。%我们表明，用于电离的铷蒸气的短激光脉冲传播的所有方式沿柱，这表明完全电离的蒸气。%我们表明，电离发生沿质子束，在激光的时间和等离子体，随后影响质子束。%
2017-08-03 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
Development of self-modulation as a function of plasma length
通过数值模拟，研究发现质子束自调制不稳定性产生的束晕半径可用来估计饱和长度，且测量晕半径随等离子体长度的变化能有效预测该长度。
2024-12-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effect of plasma inhomogeneity on plasma wakefield acceleration driven by long bunches
数值研究了等离子体不均匀性对自调制质子束团和加速电子的影响。其主要影响是尾波场波长的变化，这将导致相移和加速粒子的损失。这种效应对长粒子束驱动的等离子体尾场加速器的密度均匀性提出了严格的限制。横向双流不稳定性，转换成一个训练的微束的长束是不太敏感的密度不均匀性比加速粒子。束自由地穿过密度增加的区域并与密度减小的区域相互作用。
2012-05-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Influence of proton bunch parameters on a proton-driven plasma wakefield acceleration experiment
我们使用粒子在细胞（PIC）模拟研究的影响，传入的400 GeV的质子束团参数的振幅和相位的尾场产生的种子自调制（SSM）过程的变化。我们发现，这些影响是最大的生长过程中的SSM，即在第一个五至六米的等离子体与$7 \times10^{14}$ cm $^{-3}$的电子密度。然而，对于任何单个参数的变化$\pm$ 5%，SSM饱和点之后的影响很小。特别地，相位变化对应于远小于四分之一尾场周期，使得确定性地将电子（或正电子）注入尾场的加速和聚焦相位在原则上是可能的。我们使用模拟中的尾场和简单的测试电子模型来估计对沿等离子体注入的电子的最大最终能量的相同影响，发现这些影响低于$\pm$的初始变化5%。该分析包括相对于尾场的电子的退相，该尾场是在SSM的生长期间预期的。基于PIC模拟，我们还确定了沿束团和沿等离子体的注入位置，导致最大的能量增益。对于这里所取的参数（峰值束密度与等离子体密度之比$n_{b0}/n_0 \approx 0.003$），我们发现沿着质子束的最佳位置是在$ξ\approx -1.5 \; σ_{zb}$，并且沿着等离子体注入的最佳范围（对于10 m后的最高最终能量$\sim$ 1.6 GeV）是5-6 m。
2019-03-13 physics.plasm-ph
Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch
高能粒子加速器在提供对基本粒子和控制它们相互作用的力的更深入理解方面至关重要。为了增加能量或减小加速器的尺寸，需要开发新的加速方案。等离子体尾流场加速是一种很有前途的新型加速技术，其中等离子体中的电子被激发，导致强电场。开创性的实验已经表明，穿过等离子体的强激光脉冲或电子聚束驱动10 s GV/m及以上的电场。这些值远远超出了传统的RF加速器中所实现的那些值，其被限制为~0.1 GV/m。激光脉冲和电子聚束的限制是它们的低存储能量，这促使使用多级以达到非常高的能量。质子束的使用是引人注目的，因为它们有可能在单个加速阶段驱动尾流场并将电子加速到高能量。可以使用目前可用的长质子聚束，因为它们经历自调制，粒子-等离子体相互作用，其将聚束纵向分裂成一系列高密度微聚束，然后共振作用以产生大的尾场。欧洲核子研究中心的AWAKE实验使用强质子束，每个能量为400 GeV，总束能量为19 kJ，在10米长的等离子体中驱动尾流场。电子束被注入到由质子微束形成的尾流场中。本文介绍了电子加速到2 GeV的AWAKE测量。这构成了质子驱动的等离子体尾场加速的第一个演示。该方案在单个加速级中产生非常高能量的电子聚束的潜力意味着这里所示的结果是朝着未来高能粒子加速器的发展迈出的重要一步。
2018-10-11 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Hosing of a long relativistic particle bunch in plasma
实验首次表征了由短而错位的前置束流尾流场诱发的长粒子束在等离子体中的摇摆现象，揭示其发展取决于错位方向、程度及质子束电荷，结果与理论模型相符且适用于其他等离子体加速器。
2024-01-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Recent highlights and plans of the AWAKE experiment
先进尾流场实验（英语：Advanced Wakefield Experiment，缩写：AWAKE）是欧洲核子研究中心的一项加速器研发实验，首次使用高能质子束来驱动等离子体中的尾流场，并将电子加速到GeV能量尺度。介绍了AWAKE实验的原理。我们显示的种子的自调制过程中的长400 GeV SPS质子聚束，转化成一个训练的微聚束和驱动共振尾场在10米长的Rb等离子体的实验结果。我们还表明，外部注入的电子可以通过这些尾场加速到几个GeV。显示了AWAKE实验程序的后续步骤。可能的第一个应用程序的高能物理实验，该计划利用存储在质子束中的大能量，以达到非常高的能量增益在一个单一的等离子体，进行了说明。
2020-12-09 hep-ex physics.acc-ph 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
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
High-quality proton bunch from laser interaction with a gas-filled cone target
采用二维粒子模拟方法研究了强短脉冲圆偏振激光与充气锥靶相互作用产生高能质子束团的过程。GCT靶由填充有近临界气体等离子体的中空圆锥体和附着在圆锥体尖端的薄箔组成。研究结果表明，激光脉冲在气体-等离子体中传输时，非线性聚焦将导致激光脉冲强度的增强。结果表明，在自聚焦激光脉冲的作用下，气体等离子体中产生了大量的高能电子。然后，高能电子通过箔传输，形成比简单平面靶产生的更强的背侧鞘场。用强度为$2.6\times10^{20}W/cm^2$的CP激光脉冲辐照该GCT靶，产生了最大能量为181 MeV的准单能质子束，其能量是简单平面靶（67 MeV）的近3倍。
2011-06-20 physics.plasm-ph
An electron injector for the Electron-Ion Collider based on proton-driven plasma wakefield acceleration
Max Planck Institute for Physics（马克斯·普朗克物理研究所）；Heinrich-Heine-Universität（杜塞尔多夫大学）；Instituto Superior Tecnico（里斯本高等理工学院）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Brookhaven National Laboratory（布鲁海文国家实验室）；UCL（伦敦大学学院）；DESY（德国电子同步辐射研究）
本文提出利用质子驱动等离子体wake场加速技术为电子离子对撞机设计电子束注入方案，采用RHIC现有蓝环提供质子束，利用现有EIC极化电子源，估算出平均极化度约70%和1e34 cm$^{-2}$s$^{-1}$的亮度。
2026-09-29 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Indirect Self-Modulation Instability Measurement Concept for the AWAKE Proton Beam
先进质子驱动等离子体尾场加速实验AWAKE是CERN的一项原理验证研发实验，使用来自CERN SPS的400 GeV/c质子束（纵向束流尺寸sigma_z = 12 cm），该质子束将被发送到10 m长的等离子体段，标称密度约为1.5 μ m。7 × 10^14原子/cm ~ 3（等离子体波长λ_p = 1.2mm）。在本文中，我们表明，通过测量时间积分的横向剖面的质子束在两个位置下游的AWAKE等离子体，信息发生的自调制不稳定性（SMI）可以推断。特别是，我们表明，测量散焦质子的角度为1毫拉德对应于具有电场的顺序GV/m和充分开发的质子束的自调制。此外，通过测量自调制束团的离焦边缘，可以提取有关不稳定性增长率的信息。如果发生软管不稳定性，它可以通过测量具有变化的半径的非均匀散焦光束形状来检测。使用1 mm厚的Chromox闪烁屏对自调制质子束进行成像，可以实现0.6 mm的边缘分辨率和1.2 m的SMI饱和点分辨率。
2016-01-15 physics.plasm-ph
Experimental study of extended timescale dynamics of a plasma wakefield driven by a self-modulated proton bunch
在先进尾流场实验（AWAKE）上，对等离子体尾流场动力学进行了实验研究，时间尺度可达800 ps，约100个等离子体周期。利用外部注入的见证电子对场进行采样，测量了由自调制质子束团驱动的纵向尾流场振幅的发展。在模拟中，尾流场的共振激发导致等离子体电子轨迹交叉，导致在等离子体边界外的电势的发展，因为电子被横向喷射。实验测量的趋势与这种潜在的存在一致，并通过种子激光定时扫描和电子注入延迟扫描研究了它们对尾场振幅的依赖性。
2020-10-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Physics of beam self-modulation in plasma wakefield accelerators
自调制不稳定性是目前质子束作为等离子体尾场加速驱动器的一个关键因素。数值研究了均匀等离子体和具有小密度上升阶跃的等离子体中束流不稳定性的发展。台阶参数提供了最强的建立尾场，并确定了稳定的聚束训练形成的机制。
2015-03-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Resonant excitation of very high gradient plasma wakefield accelerators by optical-period bunch trains
使用周期性电子束聚束训练共振激发准非线性（QNL）区域中的等离子体尾流场与使用单个较高电荷聚束相比具有明显的优势。QNL机制中的共振激发可以使用每脉冲具有小电荷的非常低发射率的光束产生等离子体电子井喷：局部密度扰动是极其非线性的，实现总稀疏，但等离子体电子在等离子体频率下的共振响应被保留。这样的脉冲训练，具有等于等离子体周期的束团间距，可以通过反向自由电子激光聚束产生。为了实现与几微米的激光波长的共振，使用高等离子体密度，伴随着获得极大的尾场振幅的可能性，对于FACET-II参数接近1 TV/m。在这篇文章中，我们使用粒子模拟研究等离子体响应，光束调制的演变，以及遇到的不稳定性，出现时，使用聚束方案共振激发波在稠密的等离子体。
2020-03-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
New regime of plasma wake field acceleration in the extreme blowout regime
采用三维粒子模拟方法研究了质子驱动等离子体尾流场加速问题，即利用高能质子束团驱动等离子体尾流场加速电子束。发现了一种新的参数区域，其产生的基本恒定的电场比AWAKE设计的电场大三个数量级，即$2 \times 10^{3}$ GV/m的数量级。这是实现在极端井喷制度，当驱动质子束的数密度超过等离子体电子数密度100倍。
2018-11-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Evolution of a plasma column measured through modulation of a high-energy proton beam
等离子体尾流场加速是一种利用电磁场来加速粒子束的方法，该电磁场的数量级大于在传统的射频腔中发现的电磁场。等离子体尾场加速器的核心部件是等离子体源，其范围从激光驱动实验中使用的毫米级气体射流到AWAKE实验中使用的十米长的铷室。中性气体的密度是实验的受控输入，但电离后等离子体的密度取决于许多因素。AWAKE使用高能质子束来驱动等离子体尾场，尾场通过以等离子体频率调制质子束来对质子束团产生反馈作用。我们通过测量质子束的调制频率来推断等离子体密度，并且通过改变质子束相对于电离激光脉冲的到达来测量密度随时间的演化。使用这种技术，我们发现了一个微秒长的稳定的等离子体密度，然后在密度的快速衰减。电离后等离子体的稳定性对设计更长的蒸汽室有影响，这些蒸汽室可用于将粒子束加速到极高的能量。
2020-06-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
AWAKE, The Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN
先进的质子驱动等离子体尾场加速实验（AWAKE）旨在研究质子束团驱动等离子体尾场的产生和电子加速。这是CERN的一个原理验证研发实验，也是世界上第一个质子驱动等离子体尾场加速实验。AWAKE实验将安装在前CNGS设施中，并使用来自SPS的400 GeV/c质子束团。第一个实验将集中在等离子体中的长（均方根~12厘米）质子束的自调制不稳定性。这些实验计划于2016年底进行。之后，在2017/2018年，低能（~15 MeV）电子将被外部注入以采样尾流场，并被加速超过1 GeV。实验的主要目标将被总结。将介绍AWAKE的设计和施工状况。
2015-12-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
An $ep$ collider based on proton-driven plasma wakefield acceleration
最近的模拟表明，高能质子束可以激发强等离子体尾场，并在单个加速阶段将一束电子加速到能量前沿。这一计划可能导致未来的$ep$对撞机使用大型强子对撞机的质子束和一个紧凑的电子加速器的长度为170米，产生电子的能量高达100 GeV。这样的对撞机的参数进行了讨论，以及在欧洲核子研究中心加速器复杂的概念布局。还将介绍等离子体尾场加速的物理学，简要回顾了质子驱动等离子体尾场加速的原理证明AWAKE实验，以及这种$ep$对撞机的物理可能性。
2014-07-08 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Preliminary Investigation of a Higgs Factory based on Proton-Driven Plasma Wakefield Acceleration
本文提出并初步分析质子驱动等离子体尾场加速希格斯工厂方案，指出其可借助高能质子驱动简化加速级，但有赖于高重复频率紧凑型高能质子束团技术。
2024-09-17 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Weak-Strong Steady-State Microbunching Accelerator Light Source
Institute for Advanced Study, Tsinghua University（清华大学高等研究院）；Department of Engineering Physics, Tsinghua University（清华大学工程物理系）
提出通过特定相空间操纵及激光调制器实现弱强稳态微聚束的方法，可将束团转换为超高谐波密度调制或进行能量聚束，应用于多种辐射产生及束长能量控制，为加速器相关研究与开发建立新范式。
2026-07-13 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
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
Exact 1D Nonlinear Solutions for Proton-Driven Plasma Wakefields
Joule Physics Laboratory, School of Science, Engineering and Environment, University of Salford（索尔福德大学科学与工程环境学院焦耳物理实验室）
研究质子驱动等离子体尾波场，提出准静态近似下的一维非线性流体框架，经双束泵浦-探测配置检验，还缩放框架模拟CERN AWAKE设施参数，模型与实验匹配，为研究微束轮廓提供基础，优化变压器比。
2026-10-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.acc-ph
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
Implementation of Light Diagnostics for Wakefields at AWAKE
本研究实现了AWAKE装置中用于研究长相对论质子束自调制不稳定性的尾场光诊断系统，验证了蒸气等离子体源下光信号与激光沉积能量的正比关系，可用于获取等离子体密度阶跃参数并支撑尾场演化研究。
2024-12-12 physics.plasm-ph
A compact electron injector for the EIC based on plasma wakefields driven by the RHIC-EIC proton beam
对RHIC-EIC质子束流作为驱动束流在等离子体尾场加速实验中的应用进行了初步的模拟研究。质子束进入等离子体并经历自调制，形成一系列微聚束。这些微聚束共振地驱动等离子体内的电子密度扰动，激发具有超过$\mathrm{GVm^{-1}}$的加速梯度的纵向电场。将电子注入到产生的尾场中提供了一种用于加速电子聚束的有效方法，用于所提出的EIC对撞机。
2019-07-02 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Relativistically Induced Transparency Acceleration (RITA) of Protons and Light-ions with Ultrashort Laser Interaction with Heavy-ion Plasma Density Gradient
介绍了利用激光-等离子体相互作用加速质子和离子的相对论诱导透明加速（RITA）方案，建立了模型，并与现有方案进行了比较。利用飞秒相对论脉冲加速质子产生峰值能量可控的准单能聚束。RITA方案的工作原理是通过相对论激光诱导透明密度高于冷电子临界密度，而背景重离子是静止的。上升的激光脉冲通过有质动力驱动局部电子密度膨胀，产生电子雪犁和共同传播的静电势，在相对论临界密度处产生行进加速结构。扫雪机的前进速度取决于激光强度包络的上升速率和重离子等离子体密度梯度尺度长度。上升的激光逐渐变得对更高密度透明，使得相对论性电子等离子体频率与激光频率共振。在扫雪机框架中，痕量密度质子反射静电势并被扫雪，而较重的背景离子相对不受干扰。准单能束的速度等于两倍的雪犁速度，可以获得和调谐通过控制雪犁速度使用激光等离子体参数。质子能量作为激光强度，上升时间和等离子体密度梯度的函数的分析模型的开发和1D和2D PIC OSIRIS模拟相比。我们模拟加速质子的GeV能量与几十飞秒激光脉冲的几个拍瓦。与超短脉冲的其他机制相比，质子能量与激光功率的比例关系是有利的。
2014-02-21 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
