Nanometre-scale emittance beams from a continuous-wave RF gun
超快电子衍射仪（UED）和自由电子激光（FEL）的工作依赖于射频（RF）光阴极枪产生的高亮度电子束。下一代高重复率UED和FEL需要具有高平均亮度的电子束。为此，我们引入了一种具有类似APEX几何结构的325 MHz连续波RF光阴极枪。该电子枪允许产生具有非常高的峰值和平均5D亮度的电子束，同时具有适度的RF功耗。电子枪工作在井喷状态，能量增益为0.4 MeV，峰值阴极场为35 MV/m。通过大量的数值模拟，我们验证了枪操作的三种制度：（i）160 fC电子束与5 nm尺度的发射度的UED，（ii）1.6 pC光束与20 nm尺度的发射度的台式自由电子激光器和基于介质的加速器，和（iii）16 pC光束与50 nm尺度的发射度的逆康普顿源和其他基于加速器的光子源。我们介绍了一个简单的分析模型形成的虚阴极-发病的抑制光电流由于空间电荷力。该模型考虑了激光脉冲持续时间。此外，我们广泛的数值模拟表明，一个非常明显的最大值在5D光束亮度的激光光斑半径约150%，对应于虚阴极的发病。这一发现不支持文献中的常见方法，即在井喷状态下，激光光斑半径必须远大于对应于虚阴极起始的临界半径。
2021-05-17 physics.acc-ph
Emittance preservation of an electron beam in a loaded quasi-linear plasma wakefield
本文研究了短质子束驱动的准线性等离子体尾场中加速高电荷电子束的束流加载和发射度保持问题。所研究的尾流场的结构类似于长的调制质子束，例如AWAKE质子驱动器。我们表明，通过适当地选择电子束参数和利用两个众所周知的效果，束加载的尾流场和充分吹出的等离子体电子的加速束，电子束可以获得大量的能量与窄的最终能量扩展（%-水平），没有显着的发射度增长。
2017-10-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam-beam compensation studies in the Tevatron with electron lenses
在Fermilab Tevatron对撞机上，研究了利用磁场约束的5 keV高斯电子束与循环束重叠来抑制反质子迎面束-束调谐扩展的可行性。当反质子的电子冷却应用于常规的Tevatron操作中时，对反质子的非线性迎面束-束效应很小。因此，我们首先集中在操作方面，如光束的对准和稳定性，并对基本的观察调谐偏移，调谐扩展，寿命和发射度。我们还尝试了两个特殊的对撞机商店，只有3个质子束与3个反质子束碰撞，以抑制远程力量和增强正面效应。在这里，我们提出了这项研究的结果和数值模拟和观测之间的比较。这些结果有助于将这种补偿概念应用于布鲁克海文的RHIC。
2013-12-18 physics.acc-ph
Nano-machining, surface analysis and emittance measurements of a copper photocathode at SPARC_LAB
铜光电阴极的研发活动正在实验室测试设施进行，以充分表征光电阴极“寿命”的每个阶段，并全面概述高亮度光电注入器的光电发射特性。这里介绍的纳米（n）加工工艺包括金刚石铣削和用干燥氮气吹扫。该过程降低了阴极表面的粗糙度，并防止其他技术（例如金刚石膏抛光或油加工）引入的表面污染。高粗糙度和表面污染都导致本征发射度的增加，从而降低了整体电子束亮度。为了量化这些影响，我们的特点是光阴极表面的粗糙度测量，形态和化学成分分析的扫描电子显微镜（SEM），能量色散光谱（EDS），和原子力显微镜（AFM）技术。还通过表面处理技术前后的发射度测量研究了n-加工对电子束质量的影响。最后，我们对钇薄膜在铜光电阴极上的发射度进行了初步的研究。
2018-01-11 physics.acc-ph
Adaptive Matching Of The IOTA Ring Linear Optics For Space Charge Compensation
许多现在和未来的加速器必须与高强度的光束时，空间电荷力引起的扭曲是其中的主要限制因素。每单元大于约0.1的Betatron调谐降低导致线性光学器件的显著失真。机器操作的许多方面取决于晶格函数和相位提前之间的适当关系，并且可以通过适当处理空间电荷效应来改进。在费米实验室IOTA环的线性近似下，我们实现了一种完全考虑空间电荷的自适应线性晶格重匹配算法。该方法是基于搜索的初始二阶矩，给出封闭的解决方案，并在同一时间，满足预定义的一组目标的发射度，β函数，分散体和相位提前点之间的利益。基于迭代奇异值分解的技术被用来搜索通过改变广泛的模型参数的最优。
2018-05-07 physics.acc-ph
Simulation studies on compensation for incoherent magnet error driven half-integer and 3rd-order resonances with space charge in HIAF-BRing
本文提出对共振驱动项引入空间电荷-Twiss修正，得到修正RDTs，并在HIAF-BRing中通过模拟验证了基于最小化修正RDTs的补偿方案能有效抑制空间电荷诱导的半整数和三阶共振下的发射度增长与不稳定运动。
2025-07-07 physics.acc-ph
Control of Coherent Synchrotron Radiation and Micro-Bunching Effects During Transport of High Brightness Electron Beams
高亮度电子束在传输过程中的束流质量保持是现代加速器设计中普遍关注的问题。管理非相干同步辐射（ISR）的方法已经存在了几十年;随着光束亮度的提高，相干同步辐射（CSR）和微聚束不稳定性（uBI）已经成为性能限制。我们将diMitri、Cornacchia和Spampinati的补偿分析（正如Borland之前使用的那样）应用于与低发射率光束一起使用的传输系统的设计，并发现适当配置的二阶消色差器将抑制由于CSR引起的横向发射度增长并似乎限制uBI增益。
2014-03-10 physics.acc-ph
Study of effects of failure of beamline elements and their compensation in CW superconducting linac
Project-X是计划在美国费米实验室建造的高强度质子设施。X项目的第一级由超导直线加速器组成，该加速器将以连续波（CW）模式运行，以将束流从2.5 MeV加速到3 GeV。CW模式下的操作对射束线组件，特别是对射频（RF）腔体施加了高公差。由于束流参数与设计参数不同，束流线元在低能时的失效是非常关键的，因为它会导致束流与后续截面的不匹配。它使束流不稳定，导致发射度稀释，并最终导致束流损失。在最坏的情况下，它可能会影响机器的可靠性，并可能导致关闭直线加速器以更换故障元件。因此，研究这些效应及其补偿对实现直线加速器中束流的平稳传输具有重要意义。本文介绍了SSR 0段射频腔和螺线管失效的研究结果。
2012-03-07 physics.acc-ph
Demonstration of nonlinear-energy-spread compensation in relativistic electron bunches with corrugated structures
具有能量和电流平坦分布的高质量电子束对于许多基于加速器的科学设备（例如自由电子激光和MeV超快电子衍射和显微镜）是至关重要的。在这封信中，我们报告使用波纹结构，以补偿由射频场的曲率压印的光束非线性能量啁啾，导致光束能量扩散显着减少。通过使用一对具有正交取向的波纹结构，我们表明，四极尾场，否则增加束流发射度可以有效地取消。这项工作还将波纹结构的应用扩展到低束流电荷（几pC）和低束流能量（几MeV）制度，并可能在许多基于加速器的设施中产生强烈的影响。
2015-03-24 physics.acc-ph
Advancing Electron Injection Dynamics and Mitigation Approaches in the Electron-Ion Collider Swap-out Injection Scheme
针对电子离子对撞机换束注入方案中快循环同步加速器的稳定性问题，研究人员通过模拟探究质子与电子发射度变化，探索缓解策略，以提升装置稳定性与性能。
2024-05-14 physics.acc-ph
Evidence for high-energy and low-emittance electron beams using ionization injection of charge in a plasma wakefield accelerator
利用两个不同长度的锂等离子体源，对等离子体尾场加速器中的电离注入进行了实验研究。用于限制锂的氦气的电离在尾流中注入电子。在加速之后，这些注入的电子在能谱仪上被观察为与驱动束不同的组。它们通常具有数十pC的电荷，几GeV的能量扩展，最大能量高达30 GeV。这组电子的发射率可以比驱动束的初始发射率小许多倍。从一个等离子体长度到另一个的捕获电荷的能量标度是一致的等离子体尾场的井喷理论。
2015-10-06 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Phase space exchange-based bunch compression with reduced CSR effects
通过理论和优化设计的相互作用，我们开发了一种新的基于非对称双发射度交换（DEEX）的聚束压缩方案，大大降低了相干同步辐射（CSR）效应。首先，我们讨论了基于相空间交换的聚束压缩器（BC）与基于弯道的对应物相比在线性单粒子动力学近似中以及在纵向空间电荷力驱动的微聚束不稳定性方面的优势。我们提出了模拟结果的非线性动力学在一个对称的DEEX BC占CSR效果的计划与直接和镜像的纵向相空间在出口处的光束线。后一种方案证明了CSR效应对纵向动力学的自补偿。接下来，我们优化的梁元件的参数与自适应反馈，导致在一个非对称配置的计划与补偿CSR和非线性效应的横向动力学，我们进一步提高了几个sextupoles依赖于本征发射度分析。最后，我们讨论了如何将这种方法推广到优化具有集体效应的非线性束动力学。
2018-09-14 physics.acc-ph
Simulation design for forthcoming high quality plasma wakefield acceleration experiment in linear regime at SPARC_LAB
在等离子体尾场加速束驱动的背景下，我们利用了一个高密度的电荷拖尾聚束，其自场的作用是通过束流负载补偿来减缓能量扩展的增加，以及由自洽横向场操作的聚束自包含。这项工作将在实验室实验室测试设施中进行实验测试，包括参数扫描，可以找到优化的参数，以便在整个厘米加速长度上保持尾束的高质量，最终能量扩展增加0.1%，发射度增加5 nm。加速后的拖尾聚束参数的稳定性进行测试，采用系统扫描的参数的聚束在注入。结果表明，在所有的模拟中，能量扩展的增加都保持在1%以下，发射度的增加都低于0.02 mm mrad。能量抖动为5%的量级。
2018-02-14 physics.acc-ph
Physics to plan AWAKE Run 2
我们简要介绍了计划的AWAKE运行2实验所考虑的基本物理原理。这些原理基于在运行1期间获得的实验结果以及从数值模拟结果和其他实验获得的知识。运行2的目标是加速具有窄的相对能量扩展和对于应用足够低的发射度的电子聚束。该实验将使用两个等离子体，电子束种子SM过程中，轴上的外部注入的电子束和电子束参数，以达到等离子体吹出，束流加载和束流匹配。
2020-04-08 physics.acc-ph
Space charge dominated momentum spread and compensation strategies in the post-linac section of Proton Improvement Plan-II at Fermilab
针对 PIP-II 后直线加速器段空间电荷导致束流动量散布超标的问题，本文提出并优化了采用 debuncher cavity 的缓解策略，确保束流安全传输至 Booster 同步加速器。
2024-05-31 physics.acc-ph
Optimization of a charge-state analyzer for ECRIS beams
详细的实验和模拟研究的提取的24 keV的He离子束从ECR离子源和随后的束传输通过分析磁铁。我们发现，这样一个缓慢的离子束是非常敏感的空间电荷的力量，而且，由次级电子的束的空间电荷的中和几乎是完全的束电流高达至少0.5 mA。直接在提取系统后面的束流发射度是65 π mm mrad，并且由离子束在离子源的强磁边缘场中提取的事实确定。射束的相对大的发射度及其非傍轴性与相对小的磁体间隙相结合导致显著的射束损失，并且在其传输通过分析磁体期间有效束流发射度增加五倍。计算出的分析磁体的像平面中的束轮廓和相空间分布与测量结果吻合得很好。利用计算得到的分析磁铁的二阶转移图研究了运动学和磁铁像差，用它可以再现分析磁铁后面离子束的相空间分布。利用传输图和轨迹计算，我们提出了一种像差补偿方案，即通过改变磁极的形状，在主偶极场中加入补偿六极分量。模拟结果表明，通过这种方式补偿运动学和几何像差，并增大极隙，可以将总的束流传输效率从16%提高到45%。
2012-04-25 physics.acc-ph
Polarized Beam Conditioning in Plasma Based Acceleration
本文研究了等离子体基加速中的井喷区极化电子束的加速问题。本文导出了单束电子自旋进动和零发射度电子束退极化率的解析模型。有限发射度的作用进行了检查数值求解方程的自旋进动与自旋跟踪算法。分析模型是在非常好的协议，从3D粒子细胞模拟的结果在我们的理论的有效性的限制。我们的工作表明，高能加速器级的束流退偏较低，在适当的条件下，与100-500 GeV电子加速相关的退偏可以保持在0.1- 0.2%以下。
2011-07-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Long-range beam-beam effects in the Tevatron
在Tevatron的所有阶段（注入、斜坡、挤压和碰撞）都发生了长距离束-束效应，并影响质子和反质子束。它们导致束流损失和发射度爆炸，这发生在显着的聚束到聚束依赖模式。在实现对撞机高亮度的过程中，许多与远距离束-束相互作用有关的问题得到了解决。下面我们将简要介绍Tevatron中的远程束-束效应。(For关于Tevatron中束-束效应的详细讨论请参见参考文献中的评论。[1-3]和其中的参考文献）。
2014-10-14 physics.acc-ph
Benchmarking of 3D space charge codes using direct phase space measurements from photoemission high voltage DC gun
我们提出了一个空间电荷的计算和直接测量的横向相空间的空间电荷为主的电子束后，一个高电压的光电发射直流枪的发射度补偿螺线管磁铁之间的比较。使用双缝设置对一组参数（例如每束团电荷和螺线管电流）进行测量。使用三维空间电荷代码GPT和Parmela3D与从测量的横向和时间激光分布创建的初始粒子分布的详细模拟的数据进行比较。作为光束分数的函数的光束亮度计算测得的相空间图，并发现接近理论上的最大值设置的热能和加速场在光阴极。
2008-06-16 physics.acc-ph
Mitigation of Electron Cloud Effects in the FCC-ee Collider
由于光发射和二次发射而在束真空室内形成的电子云可能会限制加速器的性能。具体地说，如果中心电子密度超过某个阈值，则电子云可以通过头-尾型单束团不稳定性来炸毁正电子束的垂直发射度，该阈值可以通过分析来估计。使用代码PyECLOUD和VSim，我们进行了详细的模拟的电子云建立的主弧和阻尼环的FCC-EE对撞机，以确定有效的光电发射率和二次发射产量所需的实现和维持设计发射度。为此，我们提出了模拟的电子密度在束管的中心为各种束团间距，二次发射产率，和光电参数，在阻尼环和对撞机正电子环的弧。为了进一步了解潜在的动力学，云电子的空间和能量分布示出为时间的函数。此外，我们比较了两种不同的二次发射模型（“Furman-Pivi”和“ECLOUD”）获得的结果，从而表明这种类型的研究中固有的不确定性，没有任何原型真空室。我们还指出了一些情况下，两个二次排放模型产生类似的密度值。最后，根据我们对两种不同设计变体的模拟结果，我们得出结论，FCC-ee的新参数基线将有助于电子云的缓解。
2022-03-09 physics.acc-ph
Longitudinal mode-coupling instabilities of proton bunches in the CERN Super Proton Synchrotron
在本文中，我们研究了在欧洲核子研究中心超级质子同步加速器（SPS）中观察到的单束团不稳定性。根据线性化的Vlasov理论，径向或方位角模式耦合不稳定性是由聚束振荡模式的耦合引起的，所述聚束振荡模式分别属于相同或相邻的方位角模式。我们表明，这两种不稳定机制存在于SPS通过应用Oide-Yokoya方法来计算的SPS的现实纵向阻抗模型的van Kampen模式。结果与宏观粒子模拟和束流测量相一致。特别是，我们看到在最近的阻抗降低活动（2018-2021）之前观察到的单束团的不受控制的纵向发射度爆炸是由于径向模式耦合不稳定性。出乎意料的是，这种不稳定性是一样强的方位角模式耦合不稳定性，这是可能的，在SPS的聚束长度和强度的其他组合。我们还证明了射频非线性和势阱失真在确定这些不稳定阈值的重要作用。最后，我们讨论了最近的阻抗降低运动对单和双射频配置的束流稳定性的影响。
2022-09-30 physics.acc-ph
A fully plasma based electron injector for a linear collider or XFEL
本文提出一种全等离子体电子注入器方案，利用非匹配驱动束在非线性吹出区自聚焦引发自注入，通过PIC模拟证明可产生20 GeV以上、低能散、低发射度、高效率的高质量电子束，适用于未来线性对撞机或XFEL。
2024-06-07 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
Experimental studies of stable confined electron clouds using Gabor lenses
基于D.伽柏[1]空间电荷透镜是一种强流离子束聚焦装置。稳定的受限电子柱用于提供强的径向对称静电聚焦，例如用于带正电荷的离子束。与传统聚焦装置相比，伽柏透镜的优点是质量无关的聚焦强度、离子束的空间电荷补偿以及减小的磁场或电场。电子云的集体现象导致离子束的畸变和发射度增长。对电子云行为的了解防止了束亮度的降低。数值模型描述的电子约束和动力学内的Gabor透镜有助于理解的离子束与电子柱的相互作用，并显示非中性等离子体不稳定性的原因。对电子云特性的诊断有助于对数值模型的评价和研究离子束对受限非中性等离子体的影响。
2013-09-18 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
Nonlinear Photoemission for Bright Beams in X-Band Photoinjectors
Biodesign Institute, Arizona State University（亚利桑那州立大学生物设计学院）；Department of Physics, Arizona State University（亚利桑那州立大学物理系）；Center for Applied Structural Discovery, Arizona State University（亚利桑那州立大学应用结构发现中心）
针对X波段光阴极注入器 blow-out 模式下线性光发射的技术挑战，提出非线性光发射设计，产生高亮度电子束，正通过空间光调制器进一步提升其亮度。
2026-10-14 physics.acc-ph physics.optics
