Amendment of the numerical dispersion in particle-in-cell methods for evaluation of charges of self-injected electron bunches in the laser wakefield acceleration
在激光尾场加速（LWFA）中产生的电子束的总电荷和能量的评估是确定所需的目标和激光参数的主要步骤。粒子模拟（PIC）是一种有效的数值工具，可以提供这样的评估，除非数值色散的影响不被削弱。数值色散不仅影响LWFA中的退相长度，而且影响自注入电子的总量，这是PIC模拟所特有的。在计算光速时的$10^{-4}-10^{-3}$数量级的数值误差导致总注入电荷和加速电子聚束的能量增益的显著误差。在标准的数值方法中，对光速的数值修正要么要求无限小的空间网格分辨率（这需要大的计算平台），要么被迫在数值精度上妥协。一个简单，易于实现的数值方案，以抑制数值分散的电磁脉冲在PIC模拟中，即使具有适度的空间分辨率，而没有任何特殊的处理的核心结构的数值算法。由于尾流相速度的更好计算，自注入电子束团的估计电荷变得基本上更低。
2021-12-31 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Formation and stability of a hollow electron beam in the presence of a plasma wake field driven by an ultra-short electron bunch
对等离子体尾流场作用下电子注在等离子体中的时空演化进行了数值研究。后者是由超短相对论轴对称飞秒电子束团驱动的。我们首先推导出一个新的泊松方程的尾流电位的驱动项是超短聚束密度，适当地考虑到之间的相互作用的锐度和高能量的聚束。然后，我们表明，形成一个通道纵向，通过外部注入的光束，同时经历的聚束驱动的等离子体尾场的影响，在热波模型的上下文中。通道的形成似乎是光束3D演化的最后阶段。这涉及在纵轴周围出现小细丝和气泡。气泡聚结形成相对稳定的轴对称中空梁结构。
2015-11-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron bunch injection at an angle into a laser wakefield
在激光尾流场加速器中，外部注入比等离子体波长长的电子束团可以产生能量扩展为几个百分点的飞秒超相对论束团。对不同结构的激光尾流场中的电子束团（如光阴极射频直线加速器产生的电子束团）注入进行了广泛研究。本文研究了一种新的外注入方式，即电子束团以小角度注入尾场。这样可以避免有质动力散射以及真空等离子体过渡区，这往往会破坏注入聚束。在我们的模拟中，激光脉冲动力学的影响也被考虑在内。结果表明，在一个角度注入可以提供压缩和加速电子束团小于2%的能量扩展。该方案的另一个优点是，它对注入聚束的尺寸的要求不那么严格，并且有可能捕获更多的电荷。
2008-11-14 physics.plasm-ph
Improvement of Properties of Self-Injected and Accelerated Electron Bunch by Laser Pulse in Plasma
在传统的直线加速器中的加速梯度目前被限制为每米100 MV。基于等离子体的加速器具有维持加速梯度的能力，该加速梯度比在常规加速器中获得的加速梯度大几个数量级。随着激光技术的迅速发展，基于激光等离子体的加速器成为人们研究的热点。在过去的十年中，成功的实验激光尾场加速等离子体中的电子已经证实了这种加速的相关性。显然，激光等离子体加速器中的大加速梯度允许减小加速器的尺寸并降低成本。激光等离子体加速器的另一个重要优点是它们可以产生具有高能量的短电子束。
2020-09-09 physics.plasm-ph
Relativistic acceleration of electrons injected by a plasma mirror into a radially polarized laser beam
提出了一种利用周期数少的径向偏振激光脉冲产生飞秒、相对论、高电荷电子聚束的方法。在这种方案中，入射激光脉冲反射离开过密等离子体，该过密等离子体将电子注入反射脉冲中。Particle-In-Cell模拟表明，等离子体理想地注入电子，导致与以前的方法相比，加速电子束团的电荷和能量急剧增加。这种方法可以用来产生飞秒pC聚束的能量在1-10 MeV的范围内，使用现实的激光参数对应于当前kHz的激光系统。
2020-04-08 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
Laser-plasma acceleration in a conical plasma channel with longitudinally inhomogeneous plasma profile
本文研究在纵向非均匀等离子体密度的锥形通道中提升激光等离子体加速性能，证明该结构能维持自注入束团加速相位并压缩激光脉冲，从而显著提高加速梯度和束团纵向动量。
2025-06-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generating multi-GeV electron bunches using single stage laser wakefield acceleration in a 3D nonlinear regime
等离子体中的空间电荷波以比现有加速器大几个数量级的梯度加速带电粒子的非凡能力已经得到了很好的证明。我们发展了一个唯象的框架，激光尾场加速（LWFA）在三维非线性制度，其中等离子体电子被驱逐的短脉冲激光的辐射压力，导致几乎完全井喷。我们的理论提供了一个配方设计LWFA给定的激光和等离子体参数和估计的数量和能量的加速电子是否自注入或外部注入。这些公式适用于自引导以及外部引导脉冲（例如，通过等离子体通道）。我们用粒子模拟器（PIC）模拟了一个30 fs、200 T W的激光与一个0.75 cm长、密度为1.5*10^18 cm^-3的等离子体相互作用，产生一个1.5 GeV、电荷为0.3nC的超短（10 fs）单能自注入电子束。对于未来更高能量的加速器应用，我们提出了一个参数空间，这是不同于Gordienko和Pukhov [等离子体物理学12，043109（2005）]所描述的，因为它涉及较低的密度和较宽的光斑尺寸，同时保持强度相对恒定。我们发现，这有助于增加输出电子束能量，同时保持高效率。
2006-12-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam current from downramp injection in electron-driven plasma wakefields
研究电子驱动等离子体加速器中密度下坡注入的束流电流，发现其仅由结合驱动器电流、持续时间与等离子体密度的单一参数决定，且不依赖下坡长度。
2023-07-02 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
A Quantal, Partially Ordered Electron Structure as a Basis for a γFree Electron Laser (γ-FEL)
当一个相当冷的电子束团在强聚焦等离子体通道中以100 GeV/m的典型力进行激光气泡加速时，由于电子之间的相对论纵向排斥力的减小，它将形成部分有序的长电子柱，从而导致长程对关联函数，当能量达到0.5 GeV以上时，在实验室中。在康普顿背散射与第二激光，注入对面的电子聚束，电子聚束将进一步调制与微聚束，并由于其有序的结构将反射相干，穆斯堡尔样，导致γ自由电子激光（γ-FEL）。增加相对论γ因子，量子区变得更占主导地位。我们讨论了γ的标度律。
2012-06-05 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
Injection tolerances and self-matching in a quasilinear wakefield accelerator
准线性等离子体尾流中的粒子加速提供了获得高加速梯度的途径，同时避免了背景电子的自陷。然而，等离子体对外部注入的见证聚束的响应导致沿聚束长度的聚焦场的变化，这可以导致发射度增长。为了研究这种发射度的增长对整体光束质量的影响，我们开发了一个单一的品质因数的基础上的潜在的高能量应用的AWAKE实验在欧洲核子研究中心。我们表明，这样的品质因数的发展自然会产生的初始见证聚束参数的可调性和稳定性的约束。它进一步表明，独特的物理准线性唤醒引起宽公差的见证聚束半径在注射点，作为等离子体尾场自匹配的见证聚束。
2022-06-21 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
Bayesian Optimization of Laser-Wakefield Acceleration via Spectral Pulse Shaping
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Portland State University（波特兰州立大学）；Department of Electrical and Computer Engineering, Colorado State University（科罗拉多州立大学电气与计算机工程系）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本文通过贝叶斯优化和频谱脉冲成型技术，优化激光等离子体加速器的性能，显著提升电子束的电荷含量和能量。
2025-12-19 math.OC physics.acc-ph physics.plasm-ph
Spectrotemporal shaping of attosecond x-ray pulses with a fresh-slice free-electron laser
本研究提出一种在自由电子激光上对阿秒X射线脉冲进行相干整形的方案，通过控制波荡器锥形分布实现脉冲维格纳函数整形，可产生可控脉冲对、序列及宽频孤立脉冲，并在现有XFEL上实验验证了相位稳定脉冲序列的生成与控制。
2025-02-11 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Nanometer-scale pre-bunched electron beams generated from all-optical plasma-based acceleration
Peking University（北京大学）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出一种基于全光学等离子体加速的方案，通过激光调制产生纳米尺度预压缩电子束，为超快X射线应用提供新可能。
2026-02-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation and Acceleration of Isolated-Attosecond Electron Bunch in a Hollow-Channel Plasma Wakefield
提出利用电子束驱动空心通道等离子体靶同时产生并加速十GeV级孤立阿秒电子束的新方案，通过辐射尾场注入并加速等离子体电子，获得高电荷量、高能量、高稳定性的电子束，适用于超快与高能物理。
2024-12-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
On the production of flat electron bunches for laser wake field acceleration
我们提出了一种新的方法注入电子到加速阶段的粒子加速器，产生低发射度的光束，甚至适合于苛刻的高能直线对撞机规格。本文利用强激光脉冲的偏振和聚焦特性，计算了强激光脉冲后等离子体尾流场加速相的注入。借助于突变理论，我们对注入动力学进行了分类。该方案使用结构稳定的制度，横向尾波破碎时，电子轨迹自相交导致形成一个扁平的电子束。如在三维粒子模拟中所示的激光脉冲在线焦点与欠密等离子体的相互作用，电子，通过横向尾波破碎和尾波加速注入，执行沿两个横向坐标具有不同的振幅和频率的电子感应加速器振荡。极化和聚焦的几何形状导致一种方法来产生相对论电子束与不对称的发射度（平束）。简要讨论了一种产生扁平激光加速离子束的方法。
2006-06-07 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
Laser-Pulse and Electron-Bunch Plasma Wakefield Accelerator
强激光脉冲和高电荷电子束通过等离子体的传播距离分别受到衍射和自减速的限制。这对两个主要的先进加速器概念：激光和等离子体尾场加速器的性能提出了严格的限制。利用数值模拟，我们表明，当两个光束共同传播的等离子体中，它们可以相互作用的协同作用，并延长彼此的旅行距离。负责的协同作用的关键相互作用被发现是由电子束的激光沟道，和由激光脉冲的束电子的直接激光加速。值得注意的是，从激光脉冲转移到等离子体的能量的量可以通过引导电子聚束增加几倍，尽管它的能量含量很小。讨论了这种协同相互作用对外部注入见证电荷的高梯度加速的影响，并提出了激光脉冲和电子束等离子体加速器（LEPA）的新概念。
2020-11-05 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
Multi-GeV electron bunches from an all-optical laser wakefield accelerator
我们提出了多GeV的激光尾场加速在一个完全光学形成的等离子体波导的第一个演示，与加速梯度高达25 GeV/m。该波导是通过在低密度氢气射流中自波导<15 J，45 fs（<~300 TW）脉冲超过20 cm形成的，同时加速电子聚束在毫弧度发散准单能峰中被驱动到5 GeV，相对能量宽度为~15%，电荷至少为~10皮库仑。在N_e0=（1.3-3.2）x10^17 cm^（-3）的范围内，能量增益与轴上波导密度成反比。我们发现，束团光谱和电荷的连续稳定性强烈依赖于注入激光脉冲的指向和气体射流的均匀性。我们还观察到泵浦耗尽引起的失相的证据，长的光引导距离的后果。
2021-12-08 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Investigation of the dynamics of ionization induced injected electrons under the influence of beam loading effects
在激光驱动尾流场中，电离诱导注入是一种有效的向等离子体波中注入电子的方法。详细研究了在氢气中引入的氮杂质浓度可以控制的束流加载效应影响下的束流动力学。对于该百分比的特定值，高能电子聚束的最终能量变得几乎与捕获位置无关，从而导致小的能量分散。我们还表明，最终的束流发射度主要是由注入过程。
2018-02-01 physics.plasm-ph
Multileaf Collimator for Real-Time Beam Shaping using Emittance Exchange
发射度交换光束线采用横向掩模来产生可变纵向轮廓和束团间距的驱动和见证光束。最近，这种方法已被用于创建先进的驱动器配置文件，并证明破纪录的等离子体尾场Transformer比[Reisel，R.，例如，物理修订信函124，044802（2020）]，这是有效加速证人的关键进步。然而，由于横向掩模被单独激光切割并安装到UHV束线中，因此在不更换掩模的情况下不可能细化束轮廓。相反，这项工作提出了使用UHV兼容的多叶准直器作为光束掩模。这样的设备允许实时调整电子分布，允许以与机器学习高度协同的方式进行更大的细化。光束动力学模拟表明，一个实际可实现的多叶准直器可以提供的分辨率是功能上等同于激光切割掩模提供的。
2021-06-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Temporal characterization of ultrashort linearly chirped electron bunches generated from a laser wakefield accelerator
本文介绍了一种利用激光尾场加速器产生的线性能量啁啾诊断超短电子束团时间特性的新方法。当电离注入束团与驱动激光器的背面相互作用时，它沿激光器的电场方向偏转和拉伸。在离开等离子体时，如果聚束穿过偶极磁体前面的窄缝，该窄缝将电子分散在激光偏振平面中，则它可以形成一系列具有不同能量但被半个激光波长分开的聚束。由于只有未被激光偏转的电子才能通过狭缝，因此束团的能谱被调制。通过分析调制能量谱，可以识别出束团具有线性能量啁啾的激发。因此，这些聚束的能量啁啾和束流分布可以重建。通过粒子模拟和实验验证了该方法的有效性。
2016-04-12 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
Simulation Study of an LWFA-based Electron Injector for AWAKE Run 2
AWAKE实验旨在证明质子驱动等离子体波加速过程中注入电子束质量的保持。考虑到束线可用的空间，正确加载尾场所需的短聚束持续时间对于满足当前电子注入器系统是具有挑战性的。一个LWFA容易提供短时间的电子束与足够的电荷从一个紧凑的设计，并提供了一个可扩展的选择，为未来的电子加速实验在AWAKE。冲击波前注入LWFA的模拟表明，43 TW激光系统将足以产生超过100兆电子伏的能量范围内所需的电荷。LWFA光束通常具有高峰值电流和大的发散退出其原生等离子体，并注入到质子驱动的尾场之前的聚束参数的优化是必需的。紧凑的光束传输的解决方案进行了讨论。
2018-01-31 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Phase-Space Shaping due to Betatron Cooling in Wakefield Accelerators and the Onset of the Ion-Channel Laser
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
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
Theory of the Laser Wake-Field Accelerator Revisited: Wake Overtaking, Localized Spectrum and Ponderomotive Acceleration
本文研究了激光尾流场第一循环中电子和正电子的加速。不同类型的粒子运动（限制，反映的尾场或有质动力势和瞬态）之间的分离证明。有质动力加速度对电子来说可以忽略不计，但对正电子来说却很大。准单能注入的电子束团在最大能量处具有截止的局域能谱。
2005-07-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
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
High-throughput injection-acceleration of electron bunches from a linear accelerator to a laser wakefield accelerator
由强激光（激光尾场加速器，LWFAs）或粒子束（等离子体尾场加速器，PWFAs）驱动的基于等离子体的加速器（PBA）与传统的射频（RF）加速器相比，可以以极高的梯度加速带电粒子。在过去的二十年里，在这一领域取得了长足的进步，使PBA成为下一代光源和对撞机的候选者。然而，这些具有挑战性的应用必然要求光束具有良好的稳定性、高质量、可控的偏振和优异的再现性。迄今为止，此类光束仅由传统的RF加速器产生。因此，重要的是要证明注入和加速的光束首先使用传统的RF加速器，由PBA。在最近的一些关于PWFA中LWFA分级和外部注入加速的研究中，只有很小一部分（从低于0.1%到几个百分比）的注入电荷（耦合效率）被加速。对于未来的对撞机，其中束能量将需要使用多个阶段来提升，每个阶段的耦合效率必须接近100%。在这里，我们报告的第一个演示外部注入从一个基于光电阴极RF枪的传统直线加速器（LINAC）到LWFA和随后的加速没有任何重大损失的电荷或质量下降，这是通过适当的成形和匹配的束到等离子体结构。这是实现高通量、多级、高能量、混合型常规等离子体加速器的重要一步。
2020-05-01 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Table-top synchrotron
使用三维粒子模拟，我们表明，一个强非线性等离子体波激发的一个1000强的激光脉冲作为一个紧凑的高亮度的X射线辐射源。最近，A. Pukhov和J. Meyer-ter-Vehn，Appl. Phys. B \textbf{74}，355（2002），在强非线性状态下，等离子体波转变为几乎没有背景电子的"气泡“。在气泡内部，产生了密集的相对论电子束。这些加速的电子在气泡的横向场中产生电子感应加速器振荡，并发射出最大约50 keV的明亮宽带X射线辐射。发射被限制在约0.1弧度的小角度内。此外，我们模拟的X射线产生的外部28.5 GeV电子束注入到气泡。$γ$ -量子的能量高达GeV的模拟中观察到与分析结果吻合良好。能量转换是有效的，导致超过5 mm相互作用距离的电子聚束的显著停止。
2004-05-28 physics.acc-ph physics.optics 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
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
Charge coupling in multi-stage laser wakefield acceleration
多级激光加速技术是全光无抖动电子加速器的关键技术之一。使用几个独立的激光驱动器和较短长度的等离子体靶允许稳定的和可再现的加速电子聚束（或束）在GeV的能量与较低的能量扩展。同时，在连续加速阶段中有效加速所需的电荷耦合共同取决于注入电子束、升压阶段和激光脉冲尾流中电子束的非线性横向动力学的参数。非匹配电子束注入助推级后，其非线性横向演化会导致尾流场加速阶段的场强扰动甚至降低。在多级激光尾场加速中，电荷耦合的分析和表征变得至关重要。在这里，我们调查两个阶段LWFA通过完全相对论多维粒子在细胞中的模拟，并根据最关键的参数，这会影响有效的耦合和加速的电子束在助推器阶段。
2019-11-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser wakefield acceleration by petawatt ultra-short laser pulses
超短（约30 fs）拍瓦激光脉冲在稀薄等离子体（电子密度为10^{17}/cm ^3量级）中以宽焦斑（约100微米）聚焦，激发非线性等离子体尾场，该尾场可以将注入的电子加速到GeV能量，而不会产生任何脉冲通道效应。在此条件下，相对论自聚焦超临界功率激光脉冲的传输与真空中的传输几乎相同。非线性准平面尾流等离子体波的振幅和相速度沿激光路径变化，有效地捕获和加速注入的电子具有很宽的初始能量范围。沿着两个瑞利长度（大约8厘米）加速的电子可以获得高达1 GeV的能量。特别是，从相当长的（330 fs量级）1 MeV粒子的非共振电子束捕获的电子最终形成具有900 MeV范围内的能量和约10%的能量扩散的低发射度聚束。所有这些结论都来自于利用完全相对论时间平均粒子程序WAKE在圆柱形几何中进行的二维模拟。
2004-09-27 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A preliminary analysis for efficient laser wakefield acceleration
本研究提出基于改进全相对论平面流体力学模型的四步分析流程，通过匹配冷稀释等离子体初始密度与激光脉冲形貌，控制等离子体破波以提升自注入小电子束的激光尾场加速效率。
2025-01-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Self-seeded photon acceleration by electron beam-driven transition radiation
提出以驱动电子束产生的渡越辐射作为自种子，在两级均匀等离子体中实现光子加速，克服外部激光同步与对准难题。
2025-06-06 physics.acc-ph physics.optics 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
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
Electron pulse train accelerated by a linearly polarized Laguerre-Gaussian laser beam
具有扭曲指数$l = -1$的线偏振拉盖尔-高斯（LP-LG）激光束具有与常规线偏振高斯光束的场结构根本不同的场结构。靠近LP-LG束的轴，纵向电场和磁场占主导地位的横向分量。这种结构为在真空中加速电子提供了一个有吸引力的机会。它示出，使用三维粒子在细胞中的模拟，这种情况下可以实现通过反射LP-LG激光等离子体与尖锐的密度梯度。模拟结果表明，600~TW的LP-LG激光束在反射过程中有效地将电子注入到光束中。靠近激光轴注入的电子通过纵向激光电场经历延长的纵向加速。电子形成具有小发散角的独特的单能聚束。能量最高的束团的能量为0.29 GeV。聚束电荷为6~pC，持续时间为$\sim 270$ ~as.发散角为\dg{0.57}（10 mrad）。通过使用线偏振而不是圆偏振的拉盖尔-高斯光束，我们的方案使得更容易在高功率激光装置上实验证明电子加速。
2022-11-03 physics.plasm-ph
An analytical optimization of plasma density profiles for downramp injection in laser wake-field acceleration
Università di Napoli “Federico II”（那不勒斯费德里科二世大学）；INFN, Sez. di Napoli（意大利国家核物理研究所那不勒斯分部）；Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics, IFIN-HH（极亮基础设施-核物理，IFIN-HH）
本文提出一种多步骤分析方法，通过改进的全相对论平面模型优化等离子体初始密度，以控制等离子体波的部分波破并最大化电子束的加速。
2026-03-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Pulse Shaping Increases Efficiency in Pulsed Plasma Accelerators
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Texas Materials Institute, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校材料研究所）
本研究通过可编程脉冲整形技术，利用固态集成功率模块调控脉冲参数，使气体馈送型脉冲电磁推进器的比冲提升278%、推力效率从0.2%升至3.3%，优化了推进器性能。
2026-08-03 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
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
FLASHForward: Plasma-wakefield accelerator science for high-average-power applications
FLASHForward实验设施是一个用于精确等离子体尾流场研究的高性能测试平台，旨在将高质量的电子束在几厘米的电离气体中加速到GeV级。等离子体是通过高压放电或高强度激光脉冲电离气室中的气体而产生的。待加速的电子将从等离子体背景内部注入或从FLASH超导RF前端外部注入。在这两种情况下，尾流场将被驱动的电子束所提供的FLASH枪和直线加速器模块与10 Hz的宏脉冲结构，产生1.25 GeV，1 nC的电子束在高达3 MHz的微脉冲重复率。在满负荷时，这种闪存串结构对应于30千瓦的平均功率，数量级高于其他国家的最先进的LWFA和PWFA实验可用的驱动器。这种高功率功能意味着FLASHForward是世界上唯一的等离子体尾流场设施，能够立即开发，探索和基准测试下一代设施所必需的高平均功率等离子体尾流场研究。讨论了实验的操作参数和技术要点，以及科学目标和高平均功率前景。
2019-05-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Consequences of laser transverse imperfections on laser wakefield acceleration at the Apollon facility
本文通过三维Particle-In-Cell模拟，研究Apollon装置实测激光横向不完美性对激光尾波场加速空泡机制中自注入电子束团质量的影响。
2023-04-18 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Beam dynamics challenges in linear colliders based on laser-plasma accelerators
在本文中，我们讨论了设计考虑和光束动力学的挑战与激光驱动的等离子体为基础的加速器应用于多TeV尺度的直线对撞机。等离子体加速器提供超高梯度和超短束团，为紧凑的直线加速器和降低的功率要求提供了潜力。我们表明，稳定，有效的加速与光束质量的保护是可能的，在非线性气泡制度的激光等离子体加速器，使用光束整形。离子运动，自然发生的密集束（即，低发射度和高能量）严重地抑制了横向束的不稳定性。库仑散射的背景离子被认为是在等离子体中的强聚焦强烈抑制散射引起的发射度的增长。束在等离子体中横向运动产生的β电子辐射将导致束功率损失和能量扩展增长;然而，对于100 nm以下的发射度，多TeV级等离子体直线加速器的束功率损失和能量扩展增长将低于%。
2022-03-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Sub-laser-cycle control of relativistic plasma mirrors
我们提出的测量高次谐波和相对论电子发射到真空中的等离子体镜驱动的时间形状的超强激光波形，共线相结合的主要激光场与其二次谐波产生。我们通过实验展示了这些观测量是如何在阿秒时间尺度上受到这两个频率之间的相位延迟的影响，并通过对1D/2D Particle-In-Cell模拟的高级分析将这些观测与底层物理联系起来。这些结果表明，驱动激光场的子周期成形提供了精细控制的相对论电子束团的属性负责谐波和粒子发射从等离子体镜。
2021-07-29 physics.plasm-ph
Polarization control of electron injection and acceleration in the plasma by a self steepening laser pulse
我们描述了两个注入机制的背景电子到一个不断发展的等离子体气泡背后的强激光脉冲之间的相互作用：一个是由于整体气泡膨胀，另一个是由于其周期性波动。当强激光脉冲在等离子体中传播形成冲击波时，这两种机制同时发生。等离子体泡沿激光传播路径的周期性波动可以抑制或协同由于气泡膨胀的电子注入。研究表明，自陡激光脉冲诱导的载波包络相位（CEP）控制的等离子体泡起伏产生了一种独特的电子注入器：膨胀相位控制的起伏泡（EPUB）。由EPUB注入的电子束团的纵向结构可以通过激光偏振和功率来控制，从而产生具有超短（飞秒尺度）时间结构的高电荷（多个纳米库仑）高电流（数十千安培）电子束。分析了EPUB产生的高能电子感应加速器辐射的一个很有前途的应用，它具有偏振和CEP控制的能谱和角分布。
2022-10-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Spectrally peaked proton beams shock accelerated from an optically shaped overdense gas jet by a near-infrared laser
本文报道了用近红外激光器（$λ_L=1.053$ $\mathrmμ m$）驱动稠密气体射流产生无杂质质子束的实验研究。在相互作用之前，使用受控的预脉冲对气体分布进行整形。在没有这种光学成形的情况下，检测到30 $\pm$ 4 nCsr $^{-1}$的热光谱与激光传播方向成横向，具有高能量8.27 $\pm$ 7 MeV，包含45 $\pm$ 7 pCsr $^{-1}$的窄能量扩展（6 $\pm$ 2%）聚束。相比之下，在光学成形的情况下，未检测到径向分量，而是检测到能量为1.32 $\pm$ 2 MeV、能量扩展为12.9 $\pm$ 3%和电荷为400 $\pm$ 30 pCsr $^{-1}$的前向质子。前向和径向狭窄的能量分布特征都表明质子的无碰撞冲击加速。
2021-04-28 hep-ex 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
