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
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
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
Dependence of self-injected bunch parameters on the plasma density gradient and laser pulse amplitude at LWFA in a conical plasma channel
National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”（哈尔科夫物理与技术国家科学中心）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）
本文通过WarpX数值模拟，探究锥形等离子体通道中自注入束参数对激光振幅和等离子体密度梯度的依赖关系，获得特定条件下的自注入束参数，为LWFA的应用提供依据。
2026-09-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ponderomotive scattering of an electron-bunch before injection into a laser wakefield
为了激光尾流场加速的目的，事实证明，比等离子体波长长的电子聚束的注入也可以产生具有相对低的能量扩展的加速的飞秒聚束。这是非常令人感兴趣的，因为可以提供这样的注入聚束，例如，最先进的光电阴极射频枪在这里，我们指出，当电子束团注入尾流场中，重要的是要考虑的有质动力散射的注入聚束的激光脉冲在真空区位于前面的等离子体。在注入的聚束的低能量下，这种散射导致收集效率的显著下降。通过较低强度的激光脉冲和相对高的注入能量可以达到较大的收集效率。我们还估算了注入电子的最小俘获能和俘获束团的长度。
2006-07-07 physics.acc-ph physics.plasm-ph
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
Electrostatic field acceleration of laser-driven ion bunch by using double layer thin foils
采用二维粒子模拟方法研究了强线偏振激光脉冲作用下双层薄箔靶产生和加速单能离子束团的过程。靶前层的低Z离子被激光驱动的超热电子加速并穿透高Z离子层，形成准单能离子束，该束将继续被不动的高Z离子和超热电子形成的准稳定静电鞘场加速。这一机制为在束流产生实验中不需要超高对比度和高梯度激光脉冲而产生单能离子束提供了可能性，模拟结果证实了这一点。
2012-01-16 physics.plasm-ph
A novel approach to electron data background treatment in an online wide-angle spectrometer for laser-accelerated ion and electron bunches
基于激光的离子加速由当靶电子吸收激光能量并连续离开靶材料时出现的电场驱动。这些电子和加速的离子之间的直接相关性，因此是预期和预测的理论模型。我们报告一个修改后的广角光谱仪允许同时表征的角度分辨的能量分布的离子和电子。配备了在线像素检测器，RadEye 1检测器，这种相关性的研究可以在Single Shot的基础上实现。除了第一次的见解，我们提出了一种新的方法，可靠地提取初级电子能量分布的干扰二次辐射背景。事实证明，这对于定量提取平均电子能量（温度）和发射的总电荷至关重要。
2018-11-14 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
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
Laser-accelerated, low divergence 15 MeV quasi-monoenergetic electron bunches at 1 kHz
我们演示了激光尾场加速的准单能电子束团高达15兆电子伏，在1 kHz的重复频率与2.5 pC的电荷每束和一个核心与< 7 mrad的光束发散。加速是由5 fs，< 2.7 mJ的激光脉冲入射到一个薄的，近临界密度的氢气射流。低光束发散归因于对激光载波包络相位滑移的降低的敏感性，这通过使用激光偏振和气体射流控制以两种方式实现：（1）电子注入到气体射流的等离子体密度下降斜坡上的尾流中，以及（2）使用圆偏振驱动脉冲。在下坡中的温和波破碎的条件下，电子束轮廓具有与κ电子能量分布一致的2D洛伦兹形状。这种分布以前只在空间或尘埃等离子体中观察到。我们将这种形状归因于二次尾流场气泡势所限制的强相关无碰撞聚束，其中气泡中的红移激光场将横向速度空间扩散赋予聚束。
2020-10-29 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
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
Focusing of Drive and Test Bunches in a Dielectric Waveguide Filled with Inhomogeneous Plasma
本文给出了径向不均匀等离子体填充介质波导中加速和驱动聚束动力学的数值PIC模拟结果。尾流场由石英（介电常数3.75）介质管中的电子聚束激发，该介质管的外径和内径分别为1.2 mm和1.0 mm，其嵌套到圆柱形金属波导中。驱动聚束特性被选择为：电子能量为5GeV，电荷为3 nC，聚束长度为0.2mm，聚束直径为0.9mm。加速的束团具有相同的参数，除了电荷，其等于0.3 nC。波导的内部填充有具有不同横向密度分布的等离子体，即，在毛细管放电中形成的密度分布，以及真空通道沿波导轴的径向不均匀密度分布。对于所研究的所有情况下的等离子体密度低，使得等离子体频率低于基本介电模式频率。PIC模拟结果表明，非均匀等离子体柱中的真空通道改善了加速聚束聚焦。存在最佳真空通道尺寸值，在该值处聚焦最强。与漂移通道的完全等离子体填充相比，加速聚束聚焦的改善伴随着加速梯度的降低。最好的加速发生在没有等离子体的情况下;然而，在这种情况下，测试聚束聚焦不会发生。
2019-12-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A magnetic spectrometer to measure electron bunches accelerated at AWAKE
为了测量在等离子体中质子束流产生的尾流场中加速的电子束流的能量分布，我们研制了一台用于欧洲核子研究中心（CERN）AWAKE实验的磁谱仪。AWAKE是质子驱动等离子体尾场加速的原理验证实验，使用来自SPS的质子束。电子束在铷等离子体室中被加速到$\mathcal{O}$（1 GeV），然后通过偶极磁体与质子束分离。偶极磁体还在电子聚束上引起能量依赖的空间水平扩展，然后电子聚束撞击闪烁体屏幕。发射的闪烁光子通过三个高反射镜传输到一个位于暗室中的增强型CCD相机，该相机将图像传递到CERN控制系统进行存储和进一步分析。给定已知的磁场和系统效率的确定，闪烁光子的空间扩展可以被转换成电子能量分布。在闪烁体前面的轨道上安装的灯用于校准光学系统，闪烁体屏幕对电子的响应的校准在CERN的CLEAR设施中进行。在这篇文章中，AWAKE谱仪的设计，以及进行校准和预期的性能，这样就可以测量加速电子的能量分布。
2019-02-15 hep-ex physics.acc-ph physics.ins-det
Bunched proton acceleration from a laser-irradiated cone target
激光驱动离子加速技术是一种紧凑型高能离子源技术。目前，在有待解决的各种物理和技术问题中，离子能量的提升和能量扩散的减小代表了该技术的关键挑战。在这里，我们提出了一个方案，以解决这些挑战，使用一百太瓦级的激光脉冲照射锥形目标。三维粒子模拟表明，大量的电子被拖出锥壁，并被锥内的激光场加速到数百MeV。当这些高能密集电子束通过锥形靶尖进入真空时，迅速形成高达数十TV/m的极高聚束加速场。质子被加速，同时聚束由这个领域，导致准单能质子束与百兆电子伏的能量和低能量扩散~ 2%。探索的结果与激光和目标参数的质子束能量的标度，表明该计划是强大的。这为紧凑型高能质子源从基础研究到生物医学应用开辟了新的途径。
2022-07-16 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
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
Generation of attosecond electron bunches and X-ray pulses from few-cycle femtosecond laser pulses
激光等离子体电子加速器可以用来产生高强度的X射线，因为在尾流场中加速的电子由于电子感应加速器振荡而发出辐射。这种X射线源继承了电子束的特征;亚飞秒电子束团产生相同持续时间的电子感应加速器源，这反过来又允许在超短时间尺度上探测物质。在本文中，我们表明，通过Particle-in-Cell模拟，阿秒电子聚束可以获得使用低能量，超短激光束在自注入和受控注入制度在低等离子体密度。然而，只有在受控制度的电子注入导致一个稳定的，孤立的阿秒电子聚束。这种超短电子束团能发射出高亮度的阿秒X射线暴
2020-12-11 physics.plasm-ph
Trapping, Compression and Acceleration of an Electron Bunch in the Nonlinear Laser Wakefield
本文提出并考虑了一种激光尾场加速方案，即当激光脉冲前有一束相对稀少的长束非相对论性或弱相对论性电子时。本文研究了在一维尾流场和三维激光尾流场中等离子体通道中测试电子的运动。结果表明，聚束被捕获，有效地压缩在纵向和横向方向上，并加速到超相对论能量的尾场的第一个加速最大值的区域。加速的聚束具有比等离子体波长小得多的尺寸和相对小的能量扩展。
2001-10-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Investigating of electrons bunching in a Penning trap and accelerating process for CO2 gas mixture active medium
在潘宁陷阱中加入活性介质的情况下，移动的电子可以聚束，当它们获得足够的能量时，它们会逃离陷阱，形成光学注入器。这些聚束的电子可以进入下一个充满相同活性介质的PASER段进行加速。本文通过建立一个理想化的一维模型，分析了潘宁阱中混合气体激活介质中的电子动力学。我们进一步评估了电子的训练穿越下一个PASER部分时发生的能量交换。结果表明，振荡电子可以在激活介质的谐振频率处聚束。分析了俘获时间和粒子数反转的影响，结果表明，电子俘获时间越长，加速电子从介质中获得的能量越多，随着粒子数反转的增加，减速电子的能量基本不变，而加速电子的能量增加了一倍多.模拟结果还表明，与固体激活介质相比，气体激活介质需要更低的粒子数反转才能使电子聚束。实验条件容易达到。
2014-07-28 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
Stable attosecond electron bunches from a nanofiber driven by Laguerre-Gaussian lasers
产生阿秒束的高能电子提供了显着的潜力，从超快物理到新的辐射源。然而，用激光稳定地产生这样的电子束仍然是一个巨大的挑战，因为来自激光-等离子体相互作用的典型亚飞秒电子聚束要么携带低束电荷，要么仅传播几十飞秒。本文提出了一种利用拉盖尔-高斯（LG）激光脉冲与电子束相互作用产生密集阿秒电子聚束的全光学方案。稳定的聚束训练是由圆偏振LG激光脉冲的独特场结构引起的，使每个聚束能够被相位锁定并以低发散角、高光束电荷和大光束角动量向前加速。这为各种领域的广泛应用铺平了道路，例如，超亮阿秒x/ $γ$射线发射。
2018-04-24 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
Plasma wave undulator for laser-accelerated electrons
激光等离子体加速器由于在过去十年中取得的显著进展，已经成为能量高达千兆电子伏范围的超短电子束的紧凑源。这些电子聚束的直接应用是产生短脉冲X射线辐射源。在这封信中，我们研究了一个全光驱动的X射线源的基础上的组合的激光等离子体加速器和等离子体波荡器。利用激光等离子体波的纵向电场使电子横向摆动。该等离子体波荡器的周期等于等离子体波长，可以利用100-200 MeV范围内的电子能量实现10 keV范围内的可调谐光子能量。考虑到一个10 s TW级的飞秒激光系统，强度参数K约为0.5、周期约为10的波荡器可以与激光等离子体加速器相结合，从而使每个电子产生几个10^-2的X射线光子。
2011-04-12 physics.plasm-ph
THz transition radiation of electron bunch laser-accelerated in long-scale near-critical density plasmas
本文针对近临界密度等离子体中激光加速高电荷电子束产生太赫兹渡越辐射的问题，结合3D PIC与流体模拟进行含衍射和退相干效应的解析计算，计算结果与实验吻合，可用于优化太赫兹辐射并区分不同产生机制的贡献。
2023-10-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High quality electron bunch generation with CO2-laser plasma accelerator
用粒子模拟方法研究了CO2激光驱动的低密度等离子体电子加速。长波长强CO_2激光脉冲激发尾波场。它后面的气泡有一个广阔的空间，可以在达到电荷饱和极限之前维持大量的电子。采用横向传播的注入脉冲来诱导和控制环境电子注入。得到了总电荷量达10 nC，每能区平均电荷量大于0.6 nC/MeV的加速电子聚束。强流CO2激光驱动的等离子体电子加速技术为产生高电荷、低能散的电子束团提供了一种新的途径，具有广阔的应用前景，特别是在台式自由电子激光和韧致辐射产生X射线方面。
2014-03-25 physics.plasm-ph
Ion beam bunching via phase rotation in cascading laser-driven ion acceleration
通过理论分析和粒子模拟研究了级联靶鞘层法向加速中的离子束聚束现象。研究发现，质子束注入激光辐照箔靶后表面的鞘层场，可以同时实现加速和聚束。在鞘层电场上升时，由于束流后端质子感受到的电场比前端质子强，因此可能发生离子相位旋转。因此，注入的质子束可以在纵向方向上被压缩。最后，通过对级联加速过程中两个连续级的综合模拟，说明了离子束聚束的重要作用。
2018-09-05 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
Acceleration rate enhancement by negative plasma density gradient in multi-bunch driven plasma wakefield accelerator
本文提出在多束驱动的等离子体尾场加速器中引入负等离子体密度梯度，通过仅调节驱动束与波的相对相位并保持波相位稳定，从而在有限长度内提升被加速束的能量增益。
2024-11-14 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
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
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
Optical Control of transverse Motion of Ionization injected Electrons in Laser Plasma Wakefield
提出了一种利用横向非对称尾流场通过调节激光焦斑形状来控制电离注入电子束横向运动的全光学方法。在实验中，当激光光斑形状由圆形变为斜椭圆形时，电子束形状由椭圆形变为三种不同的形状。3D-PIC模拟结果与实验结果吻合较好，表明加速电子的运动轨迹由起伏状变为螺旋状。这种全光学方法可用于方便地控制电子束的横向运动，从而产生具有轨道角动量的同步辐射。
2019-09-12 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
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
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
Terahertz-based longitudinal phase space diagnostics of laser wakefield accelerated electron beams
Tsinghua University（清华大学）；Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）
本研究采用太赫兹横向偏转腔结合偶极磁铁，实现了激光尾场加速电子束纵向相空间的高分辨率诊断，揭示了能量窗口参数对束团时长的调控规律，为优化压缩电子束提供了策略。
2026-08-11 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
Design of high brightness Plasma Wakefield Acceleration experiment at SPARC\_LAB test facility with particle-in-cell simulations
目前的数值研究的等离子体尾场加速方案在弱非线性制度与外部注入的动机是即将到来的活动在实验室的测试设施，最终目标是证明适度的梯度加速（$\sim$ 1 GV/m），没有质量损失。可以设想加速的聚束作为自由电子激光的种子。数值研究已经进行了粒子在细胞的代码${\tt ALaDyn}$，等离子体加速版本的详尽描述。该配置考虑两个聚束设置与设施范围内的参数，聚束产生和预加速高达100 MeV的高亮度的光注入器之前的等离子体注入。为了验证工作点的鲁棒性，我们考虑了驱动器聚束到达等离子体或具有更大尺寸或具有大发射度的情况。我们还提出了一种分析方法的基础上的包络方程，允许减少匹配条件下存在的斜坡。在这里，我们限制我们的兴趣，一个简化的理论情况下，线性等离子体斜坡。作为最后一个方面，我们建议结合经典的集成聚束诊断与Shapiro-Wilk的测试，一个数学测试来诊断聚束偏离高斯分布。
2018-02-12 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
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
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
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
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
Helical Electron Beam Micro-Bunching by High-Order Modes in a Micro-Plasma Waveguide
本研究在微等离子体波导中用高功率圆偏振拉盖尔-高斯脉冲激发高阶模式，实现螺旋电子束微聚束，可产出高性能高电荷相对论电子束，为相关科研与应用提供新途径。
2025-06-18 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
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
Relativistic electron beams driven by kHz single-cycle light pulses
激光等离子体加速是一种新兴的技术，用于在非常短的距离内将电子加速到高能量。加速的电子聚束具有飞秒的持续时间，使它们特别适用于超快成像或飞秒X射线产生等应用。目前的激光等离子体加速器通常由焦耳级激光系统驱动，这有两个主要缺点：相对较大的规模和较低的重复率，每秒最多只有几次发射。加速电子束的能量范围从100 MeV到多GeV，然而MeV电子源将更适合于许多社会和科学应用。在这里，我们展示了一个紧凑和可靠的激光等离子体加速器产生高质量的几兆电子伏的电子束在千赫重复率。这一突破是通过使用近单周期光脉冲实现的，这将驱动加速器所需的激光能量降低了三个数量级，从而实现了高重复率操作和激光系统的大幅缩小。测量的电子束团是准直的，其能量分布峰值为5 MeV，包含高达1 pC的电荷。数值模拟再现了所有的实验特征，并表明电子聚束只有$\sim 1$ fs长。我们预计，这些kHz飞秒相对论电子源的出现将为广泛的影响应用铺平道路，例如具有前所未有的10 fs以下分辨率的材料中的超快电子衍射。
2016-12-02 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
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
