RF injector design studies for the trailing witness bunch for a plasma-based user facility
基于等离子体的加速器作为用户设施的驱动器，由于其紧凑性和降低的成本，在全球范围内的兴趣正在增长。在这种情况下，EuPRAXIA合作正在为一个多GeV的等离子体加速器准备一个概念设计报告，该加速器具有出色的电子束质量，可以在几种应用中引导X射线自由电子激光的操作，这是光束亮度要求最高的。强流束动力学的研究已经进行了提供一个可靠的工作点的RF注入器，以产生一个高亮度的拖尾见证聚束适合在外部注入计划，无论是在粒子束和激光驱动的等离子体尾场加速。一个感兴趣的情况是产生的见证光束具有1 GeV的能量，小于1 mm-mrad的切片发射度和30 pC在10 fs的半高宽聚束长度，这变成3 kA的峰值电流在波荡器入口。在传统的类SPARC光电注入器中，验证束被成功地压缩到10 fs，在先进的高梯度X波段直线加速器中被提升到500 MeV，峰值电流为3 kA，有效值为：能散0.06%，横向归一化发射度0.5 mm-mrad，焦斑小于1 $μm$。本文介绍了射频注射器研究，旨在满足EuPRAXIA对基于等离子体的用户设施设计研究的要求。
2018-01-16 physics.acc-ph
EuPRAXIA@SPARC_LAB: the high-brightness RF photo-injector layout proposal
在EuPRAXIA@ PRAXIA_LAB，先进的高亮度射频注入器和基于等离子体的加速器的独特组合将推动一个新的多学科用户设施。该设施目前正在INFN-LNF实验室（意大利弗拉斯卡蒂）与EuPRAXIA合作进行研究，将在外部注入配置中运行基于等离子体的加速器。由于在该配置中，等离子体阶段中的加速过程的稳定性和再现性受到RF生成的电子束的强烈影响，因此RF注入器设计的主要挑战与生成和处理高质量电子束有关。在过去几十年的研发活动中，高亮度RF光注入器在辐射产生和先进加速方案领域的关键作用已基本确立，使其成为驱动等离子体加速器的有效候选者，作为用户设施的试点。为EuPRAXIA@ ENUC_LAB项目提出了一种由高亮度S波段光注入器和先进的X波段直线加速器组成的射频注入器。在光电注入器中的电子束动力学已被探索通过模拟，导致高亮度，超短聚束与高达3 kA的峰值电流在先进的X波段直线加速器的入口处的升压。本文介绍了EuPRAXIA@ PRAXIA_LAB高亮度光电进样器以及性能优化和灵敏度研究，旨在实际检查所需工作点的鲁棒性和可靠性。
2018-02-25 physics.acc-ph
Design, optimization and experimental characterization of RF injectors for high brightness electron beams and plasma acceleration
在这篇文章中，我们分享我们的经验，有关新的光注入器调试在实验室测试设施。新的光注射器安装在现有的机器中，我们的目标不仅是改善最终光束参数本身，而且还改善日常操作中的机器处理。因此，除了纯光束表征，本文包含有关改进的信息，这些改进从机器维护的角度引入到新的光注入器设计中，以及我们通过使用新技术组装枪本身所获得的好处。
2022-12-12 physics.acc-ph physics.ins-det
Preliminary Study for an RF photocathode based electron injector for awake project
质子驱动等离子体尾流场加速（PDPWA）实验是欧洲核子研究中心（CERN）批准的AWAKE计划。PDPWA方案包括一个种子激光器，一个驱动光束，以建立等离子体细胞内的加速尾场;和一个见证光束被加速。驱动束质子将由CERN的超级质子同步加速器（SPS）提供。等离子体电离将由种子激光器和驱动束质子来执行，以产生加速尾场。在建立尾流场后，应将见证束，即来自专用源的电子束注入等离子体室。本实验的主要目的是演示在10 $\,$ m等离子体中将5-15 $\,$ MeV的单聚束电子束加速到1 $\,$ GeV。本文在CERN现有PHIN光电注入器的基础上，探讨了用射频光阴极作为PDPWA方案电子源的可能性。为了提供所需的电子束，对现有的设计，初步的束流动力学模拟的修改，本文提出。
2014-06-05 physics.acc-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
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
Developing a 50 MeV LPA-based Injector at ATHENA for a Compact Storage Ring
在激光驱动下，在等离子体中产生了相对论电子束，并成功地将其加速到具有GV/m梯度的高能。现在，是时候把重点放在激光等离子体加速（LPA）光束的应用。亥姆霍兹协会的“加速器技术亥姆霍兹iNfrA结构”（ATHENA）促进创新的粒子加速器和高功率激光技术。作为ATHENAe支柱的一部分，将开发由LPA驱动的几种不同的应用，例如紧凑型自由电子激光，医学成像和首次实现LPA束注入储存环。后一项工作是在德国电子同步加速器（DESY）、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和耶拿亥姆霍兹研究所（HIJ）的密切合作下进行的。在KIT的cSTART项目中，正在准备一个紧凑的储存环，该储存环针对短聚束进行了优化，适合接受基于LPA的电子聚束。在这次会议的贡献，我们将介绍50 MeV的基于LPA的注入器，并给出了有关项目目标的概述。等离子体注入器的关键参数将被提出。最后，将总结项目的现状。
2021-06-21 physics.acc-ph
Multi-cell RF Injectors Driven by Thermoionic Cathodes
我们提出了一个多单元RF注入器的预期性能与热离子阴极或门控光电阴极操作。通过磁压缩和100 ~ 200 mm辐射的相干自发发射种子自由电子激光，系统产生了峰值电流为200 A、发射度为2 mm.mrad rms的完全聚束束。电子束团是几个自由电子激光桶长和相位锁定的RF，使该设备成为第二代等离子体加速实验的理想注射器。
1998-07-23 physics.acc-ph
Modeling of an Electron Injector for the AWAKE Project
为了提供等离子体尾流场实验所需的基线参数，利用PARMELA对AWAKE项目中的电子注入器和助推器进行了粒子模拟。研究了公差和误差。利用CST程序设计了一种3GHz行波结构.通过使用从这些电磁模拟获得的场图来跟踪粒子。这些结果与PARMELA中的一般加速结构模型进行了比较。
2015-05-11 physics.acc-ph
Electron Sources from Plasmas
当强激光驱动尾流场时，等离子体中的相对论电子很容易通过自注入产生，从而产生宽的电子能量分布。可以使用涉及附加激光束或不同气体成分或分布的若干机制来改善电子束质量。本文从激光驱动电子源作为等离子体加速器注入器的角度对这些机制进行了介绍和讨论。
2020-07-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Surrogate Models studies for laser-plasma accelerator electron source design through numerical optimisation
Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie - IJCLab - UMR9012（无穷二物理实验室）；École Polytechnique（巴黎综合理工学院）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）
本研究利用机器学习构建代理模型，基于3000多次PIC模拟，快速预测激光等离子体注入器束流参数，实现高效优化设计。
2025-10-14 physics.acc-ph physics.data-an physics.plasm-ph
Intensity limits of the PSI Injector II cyclotron
我们调查的PSI注入器II高强度分离扇区等离子体回旋加速器的电流限制，在其目前的配置和建议的升级后。加速器驱动的次临界反应堆、中子和中微子实验以及医用同位素生产都受益于电流的增加，即使是在~ 10%的水平上：PSI回旋加速器提供了相关的经验。由于空间电荷在低束流能量下占主导地位，注入器是关键的。通过详细的数值模拟了解空间电荷效应和晕形成，为如何最大限度地提高提取电流提供了线索。模拟的空间电荷占主导地位的低能量高强度（9.5 mA DC）的机器，一个复杂的准直器设置在中央区域成形的束，是不平凡的。我们使用的OPAL代码，带电粒子光学计算的工具，在大型加速器结构和束线，包括三维空间电荷。我们有一个精确的模型，目前的生产）注射器II，工作在2.2毫安的电流。一个简单的模型，建议未来（升级）配置的回旋加速器也进行了研究。我们估计强度极限的基础上开发的模型，支持拟合的比例律和测量。我们已经能够进行更详细的分析，束参数和晕发展比以往任何研究。优化技术使模拟设置与Injector II参数和测量更好地匹配。我们表明，在生产配置的束流规模的权力与束的大小为3。然而，在较高强度下，4次幂缩放更适合，将限值设置为约3 mA。如果调整准直方案，可以产生高于迄今为止所实现的5 mA的电流。
2017-07-25 physics.acc-ph
Feasibility study for the hard x-ray free electron laser based on synergistic use of conventional and plasma accelerator technologies
探讨了用常规射频加速器作为等离子体驱动尾场加速器的注入器的可能性。传统的加速器提供具有低发射度和低能量扩散的高质量光束。一旦注入到等离子体尾流中，发射度可以在适当的束匹配时被保持，而能量扩散可能不会由于由常规加速器递送的长束持续时间而导致。估算了整个加速器系统和基于该加速器的自由电子激光的参数。
2022-10-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Oscillation damper for misaligned witness in plasma wakefield accelerator
针对线性或中等非线性等离子体尾场加速器中外部见证束对中困难的问题，本文提出在其前方亚毫米处加入同源阻尼束团，通过尾场扰动实现见证束自动回轴且无质量损失。
2024-10-26 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Plasma wake inhibition at the collision of two laser pulses in an underdense plasma
文献[1]和[2]提出了一种用于激光等离子体加速器的电子注入器概念，它依赖于使用反向传播的超短激光脉冲。在文献[2]中，方案是这样的：泵浦激光脉冲产生一个大振幅的激光尾波场（等离子体波）。反向传播的注入脉冲与泵浦激光脉冲干涉以产生拍频波图案。拍波的有质动力能够将等离子体电子注入尾流场中。我们已经研究了这种注入方案，使用1D粒子在细胞（PIC）模拟。模拟揭示了以前模型中没有考虑到的现象和重要的物理过程。特别地，在激光脉冲的碰撞处，大多数等离子体电子被捕获在拍频波图案中，并且不能有助于支持等离子体波的集体振荡。在这一点上，流体近似失败，等离子体尾流被强烈抑制。因此，注入的电荷减少了一个数量级相比，从以前的模型的预测。
2007-03-05 physics.acc-ph 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
Teravolt-per-meter plasma wakefields from low-charge, femtosecond electron beams
最近的倡议在超短，GeV电子束产生的重点是实现亚飞秒脉冲驱动X射线自由电子激光（FEL）在单尖峰模式。该方案采用非常低的电荷束，这可以允许现有的FEL注入器产生几个100作为脉冲，具有高亮度。为此，最近在SLAC的实验产生了~2 fs rms，低横向发射度，20 pC的电子脉冲。在这里，我们研究使用这样的脉冲激发等离子体尾场超过1电视/米。我们提出了一种聚焦方案，能够产生~200 nm的光束尺寸，其中表面库仑场也是~TV/m。这些条件访问高场原子物理学的新制度，允许前沿实验，包括子飞秒等离子体形成尾流激发。
2010-02-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Controlled density-downramp injection in a beam-driven plasma wakefield accelerator
本文介绍了利用束流驱动的等离子体尾场加速实现高品质的等离子体阴极通过密度下降斜坡注入在短的注入器阶段在FLASHForward设施在DESY。电子束的电荷高达105 pC和百分之几的能量扩展加速的可调有效加速场高达2.7 GV/m。等离子体阴极以非常高的注入效率无漂移地操作。研究和模拟了产生的束的抖动、发射度和发散度的来源，以及用于性能改进的策略，这些策略将进一步增加具有所展示的操作稳定性的等离子体阴极的广泛应用
2020-08-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Gas cell density characterization for laser wakefield acceleration
在多级激光尾场加速器的激光等离子体电子注入器设计中，等离子体密度的控制是稳定加速过程的关键因素。使用具有可变参数的单元来限制气体并定制密度分布。气体填充过程的特征在于实验和流体模拟。结果表明，实验和模拟之间的良好协议。还使用模拟来研究每个气室参数对密度分布的影响，并显示精细控制密度分布的可能性。
2018-01-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Successful High Power Acceleration of the HSC Type Injector for Cancer Therapy in IMP
在此基础上，研制了一种将射频四极杆结构和漂移管结构组合在一个叉指H腔中的混合单腔直线加速器，并将其组装成用于治癌同步加速器的原理验证型注入器。HSC直线加速器的注入方式采用了直接等离子体注入方案（DPIS），该方案被认为是目前唯一能加速激光离子源（LIS）产生的强流重离子束的方法。HSC的输入束流被设计为20毫安（mA）C6+离子。数值模拟结果表明，该加速器可以加速6 mA的C6+离子束，满足治癌所需粒子数（108~9个/脉冲）的要求。该注入系统采用了DPAS方法的HSC注入器，可以省去现有的多匝注入系统和剥离系统，并可以使现有同步加速器磁体的束管尺寸缩小，从而降低同步加速器的整体成本（估计数百万美元）。详细的测量和评估组装的HSC直线加速器，并使用LIS与DPIS的高功率测试的结果，本文报道。
2015-03-25 hep-ex physics.acc-ph
Self-Adaptive Stabilization and Quality Boost for Electron Beams from All-Optical Plasma Wakefield Accelerators
University of Strathclyde（思克莱德大学）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Heinrich Heine University Düsseldorf（杜塞尔多夫大学）；Cockcroft Institute（科克克罗夫特研究所）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；École Polytechnique（巴黎综合理工学院）；Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf（德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）
本文提出利用等离子体光阴极技术提升激光等离子体谐振加速器电子束质量，通过补偿波动实现更稳定的输出。
2025-07-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-Plasma Accelerator Beams in Light Sources: Femtosecond High-Brightness Radiation through Chirped Pulse Injection
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；University of Hamburg（汉堡大学）
该研究提出啁啾脉冲注入方案，将激光等离子体电子束注入PETRA IV等硬X射线同步光源，可提供千安级短脉冲并产生飞秒相干辐射，为光源领域提供新方案。
2026-08-06 physics.acc-ph
Mechanisms to control laser-plasma coupling in laser wakefield electron acceleration
实验结果，支持精确的建模，证明优化的等离子体为基础的注射器与中间激光脉冲能量（$<1$ J），对应于一个归一化的矢量势$a_0 = 2.15$，使用电离注入量身定制的等离子体密度分布。在实验上实现了电子聚束质量和能量的增加与在等离子体出口处的密度下降斜坡的延伸。优化的激光脉冲在定制的等离子体密度分布的焦点位置示出，以有效地减少电子束角偏差，导致更好的对准的电子束与激光轴。单峰电子光谱产生在一个以前未探索的制度，通过结合早期的焦点位置和自适应光学控制的激光波前，通过优化的对称性的预聚焦激光能量分布。实验结果已经通过粒子模拟使用现实的激光能量，相位分布和时间包络进行了验证，允许准确预测难以建模的参数，如电子束团的总电荷和空间特性，为更准确地建模等离子体加速器的设计开辟了道路。
2022-08-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Chromatic Dynamics of an Electron Beam in a Plasma Based Accelerator
本文对等离子体加速器中的见证光束的色动力学进行了理论研究。我们推导出单粒子运动的电子在离子柱内的非线性，井喷尾流包括绝热阻尼和绝热变化的等离子体密度。利用这一点，我们计算了电子束的束矩和发射度的演变。我们的模型可以处理近任意的纵向相空间分布。我们包括在光束中的能量变化的影响，不完美的尾流负载，初始横向偏移的光束，光束和等离子体之间的失配。我们使用我们的模型，推导出解析饱和长度的投影，纵向切片，和能量切片发射度在不同的光束加载条件下。此外，我们表明，质心振荡和光斑大小的切片之间的变化和变化强烈依赖于梁加载。接下来，我们将展示如何在一个完整的等离子体源的密度斜坡的光束演变，并显示沿斜坡的等离子体密度的积分确定对光束的影响。最后，我们推导出几个简单的比例律，显示如何设计一个等离子体为基础的注入器，以产生一个目标束的能量和能量扩散。
2021-11-03 physics.acc-ph 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
Status report of the ESCULAP project at Orsay: External injection of low energy electrons in a Plasma
ESCUETM项目旨在研究准线性区域内等离子体中低能（\SI{10}{MeV}）电子的外部注入。该设施将使用PHIL光注入器和高功率激光器LASERIX。我们将提供一份关于该设施的初步工作和两台机器的状态的状态报告。我们还将介绍模拟结果，显示该设施的预期性能。
2018-03-05 physics.acc-ph
Partial Discharges detection in 1 MV power supplies in MITICA experiment, the ITER Heating Neutral Beam Injector prototype
本文针对MITICA实验中1 MV高压电源在调试期间发生的击穿问题，升级了局部放电检测诊断系统，通过仪器直流适用性鉴定、灵敏度评估及逐步加压寻找电晕现象，成功识别了高压装置中的潜在绝缘薄弱点。
2023-04-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
H- Beam formation simulation in negative ion source for CERN's Linac4 accelerator
本研究改造ONIX三维粒子模拟蒙特卡洛程序，模拟CERN Linac4单孔径H⁻离子源的束形成与引出过程，并通过实验结果进行基准验证。
2023-01-31 physics.acc-ph
Generation of quasi continuous-wave electron beams in an L-band normal conducting pulsed RF injector for laboratory astrophysics experiments
我们报告的方法，以产生准连续波（CW）电子束的平均束流的毫安和平均束能量的几兆电子伏的脉冲射频注入器。潜在的应用是在DESY计划的实验室天体物理学计划。电子束的产生是基于一个专门设计的金属场致发射体的场致发射。准cw射束轮廓在枪腔的谐振频率下在随后的RF周期上形成。这是通过在枪下游的切割盘结构加速腔（助推器）中的散束来实现的。在束流动力学模拟中，可以通过调节助推腔的工作条件来调节束流的峰值和平均值。在特定位置（例如，等离子体实验的入口）是通过沿束线施加由电子束提供的磁聚焦场来执行的。本文介绍了一种微尖场致发射器的设计，并对该发射器进行了枪腔内电磁场仿真。利用粒子跟踪模拟方法对产生的准连续电子束参数进行了多参数优化。将介绍和讨论所获得的结果。此外，在PITZ枪的寄生场发射（PFE）电流（暗电流）的测量将被示例性地示出，以区分其数量级从所产生的束电流由所设计的场发射器。
2018-03-21 physics.acc-ph
Stability of a Charged Particle Beam in a Resistive Plasma Channel
本文研究了惯性相对论束流在外加磁场约束的等离子体通道中的自聚焦，作为对直线加速器束流注入器（射频四极）出射束流进行再调节的一种手段。对自聚焦光束的稳定性进行了详细的研究。为了统一地解释束丝和电阻软管不稳定性，我们在有限等离子体通道中的色散关系的推导中处理了所有的方位角模，它们表现出许多不稳定模，这些模按温伯格方案[Steven Weinberg，J. Math.8，614（1967）]进行了分类。
2009-01-18 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
Plasma density profile reconstruction of a gas cell for Ionization Induced Laser Wakefield Acceleration
本研究针对激光尾场加速的等离子体密度控制问题，设计可变长度与背压的气体盒，利用多TW激光实验，通过电离辅助注入调节电子束，并使用横向探针结合阴影与干涉成像重建并分析了等离子体密度分布。
2023-05-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Automation and control of laser wakefield accelerators using Bayesian optimisation
激光韦克菲尔德加速器有望彻底改变加速器科学的许多领域。然而，其广泛采用的最大挑战之一是由于输入参数和加速结构的动态演变之间的耦合而难以控制和优化加速器输出。在这里，我们使用机器学习技术来自动化100 MeV规模的加速器，该加速器通过同时改变多达6个参数来优化其输出，包括激光的光谱和空间相位以及等离子体密度和长度。最值得注意的是，该算法建立的模型能够优化激光演化，否则可能会在单变量扫描中错过。激光脉冲形状的细微调整导致电子束电荷增加80%，尽管脉冲长度仅改变1%。
2020-11-26 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High brightness, symmetric electron bunch generation in a plasma wakefield accelerator via a radially-polarized plasma photocathode
John Adams Institute for Accelerator Science（约翰·亚当斯加速器科学研究所）；Department of Physics, University of Oxford（牛津大学物理系）；Somerville College（萨默维尔学院）
本文扩展等离子体光阴极方案，采用径向极化激光产生高电荷、高亮度且发射度对称的电子束，并通过贝叶斯优化评估性能，发现其在最优加载下优于线极化方案。
2025-05-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Design of a 5 GeV Laser Plasma Accelerating Module in the Quasi-linear Regime
多GeV级激光等离子体加速模块是激光等离子体加速器的关键部件，因为它们可以用作上游等离子体或常规注入器的助推器，或者作为多级高能等离子体直线加速器的模块加速段。这样的等离子体模块，在准线性制度，已被设计为5 GeV的激光等离子体加速器阶段（LPAS）的EuPRAXIA项目。将激光脉冲（$\sim$ 150 TW，$\sim$ 15 J）准匹配到等离子体通道（$n_{\rm p} = 1.5\times 10^{17}$ cm $^{-3}$，$L\sim$ 30 cm）中，并且将双高斯电子束从外部注入尾流场中。通过使束尺寸与横向聚焦场匹配，在加速过程中保持束流发射度。通过优化束流加载效果，最终获得了$<$ 1%的能量扩展。已经提出了几种方法来减少切片能量扩散，并被发现是有效的。在洛伦兹增强坐标系中用3D PIC代码Warp进行模拟。
2018-02-22 physics.acc-ph
Plasma effect in the longitudinal space charge induced microbunching instability for low energy electron beams
自由电子激光（FEL）装置的直线加速器中普遍存在微聚束不稳定性。在许多情况下，纵向空间电荷（LSC）是产生不稳定性的主要因素。对于高亮度电子束，等离子体效应被发现是不平凡的发展的不稳定性。本文从多维相空间中的Vlasov方程和Poisson方程出发，基于由纵向密度扰动引入的纵向电场的显式公式，对微聚束不稳定性进行了直接分析，从而与高能束的成熟方法具有高度可比性。这种方法一般适用于有加速度和无加速度两种情况，并且与晶格分量无关。结果表明，对于低能小横向发射度的电子束，在自由电子激光装置的注入器中总是这样，等离子体效应导致纵向电场以修正的等离子体频率振荡，该频率取决于束的横向尺寸，以及在纵向电场中的朗道阻尼效应，这是由于在束流传输过程中纵向速度不相关而引起的。这两种效应对不稳定性的发展都起着重要的作用。其结果是，由LSC阻抗驱动的能量调制显着不同于正常值，这种差异导致不稳定性的最终增益的显着变化。
2013-09-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Modelling of laser-plasma acceleration of relativistic electrons in the frame of ESCULAP project
我们提出了数值模拟结果的注入和加速的10 MeV，10 pC的电子束在气体电池中产生的等离子体波由2J，45 fs的激光束。这个模型是有关ESCUESCUETM项目中的电子加速的PHIL光注入器被注入到一个气室照射的激光束的LASERIX系统。为了确定激光等离子体结构的最佳参数，对实验进行了广泛的建模。这是用新开发的数字代码WakeTraj完成的。我们提出了一种配置，高度压缩的电子束团的好处，注入的电子束可以有效地耦合到等离子体波和加速到140 MeV，与低于5%的能量扩散。
2018-02-14 physics.acc-ph
An Innovative Transverse Emittance Cooling Technique using a Laser-Plasma Wiggler
我们提出了一个创新的光束冷却方案的基础上激光驱动等离子体尾场，以解决未来的直线对撞机的高亮度产生的挑战。对于直线对撞机，束流冷却是通过阻尼环与摇摆磁铁和加速腔装备。该方案确保通过同步辐射发射系统地减少相空间体积，同时通过加速腔补偿纵向动量损失。本文介绍了等离子体摇摆器的概念及其类似于磁摇摆器的有效模型;论证了等离子体摇摆器特性与阻尼特性的关系;提出了支持激光传输优化的粒子模拟方法。数值模拟了横向尾流场的振荡和由此产生的正弦探测束轨迹。与传统扭摆器相比，一个数量级更大的有效扭摆器场的形成被成功地说明。潜在的阻尼环设计的基础上，这种新型的等离子体为基础的技术和性能的阻尼时间和足迹进行了比较，现有的传统阻尼环设计。
2021-12-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A compact, all-optical positron production and collection scheme
本研究提出一种基于激光等离子体的紧凑全光学正电子产生收集方案，利用靶后等离子体镜耦合激光驱动尾场捕获加速正电子，提升捕获效率，可用于正电子束注入及紧凑型等离子体正负电子直线对撞机研发。
2023-09-05 physics.acc-ph physics.app-ph physics.comp-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
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
Snowmass Whitepaper AF6: Plasma-Based Particle Sources
基于先进加速器概念的粒子源产生的高亮度光束有可能成为未来加速器技术的重要组成部分。高梯度加速器可以产生并快速加速粒子束到相对论能量，同时最小化在低束能量下发生的对束亮度的不可逆有害影响。由于高加速梯度，这些新型加速器也比传统技术更加紧凑。这些粒子源的束参数在很大程度上由注入和随后的加速过程决定。虽然在这方面取得了重大进展，但在未来对撞机或包括X射线自由电子激光（XFEL）在内的更近期应用所需的关键参数方面取得了重大进展，例如对于具有高电荷和高脉冲重复率的聚束来说，足够小的能量扩散和小的发射度。为了解决这些限制，需要进行重大的研究和开发工作，以实现这些方法用于未来对撞机的前端注入器。特别地，这包括以高精度控制和操纵超短LWFA电子聚束的相空间和自旋自由度的方法，增加激光-电子束效率和增加重复率的方法。这还包括开发高分辨率诊断，如全6D相空间测量、光束偏振测量和高保真仿真工具。通过发射度阻尼可以进一步提高束流亮度。对于未来的对撞机，阻尼环可能会被更紧凑的等离子体方法所取代。在这里，等离子体摇摆器用于实现类似的阻尼性能，但在两个数量级减少的长度。
2022-03-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Controlling external injection in laser-plasma accelerators with terahertz frequency bunch manipulation
The Cockcroft Institute（科克沃尔研究所）；Science and Technology Facilities Council（科学与技术设施委员会）；The University of Manchester（曼彻斯特大学）；University of Liverpool（利物浦大学）
本文提出利用太赫兹频率操控外部注入激光等离子体加速器，通过时间锁定电子束与驱动激光，实现高质束流压缩，提升加速性能和稳定性。
2026-04-17 physics.acc-ph 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
External Electron Injection for the AWAKE Experiment
总结并说明了AWAKE实验中实现见证粒子注入尾场的方法。在AWAKE中，等离子体尾场由自调制相对论质子束驱动。为了证明这些尾场可以加速带电粒子，我们注入了由光电注入器产生的\unit [10-20]{MeV}电子束。我们总结了这种注射过程的实验挑战，并提出了我们的计划，在不久的将来。
2018-10-09 physics.acc-ph
Contribution of ALEGRO to the Update of the European Strategy on Particle Physics
ALENGRO报告概述了先进与新型加速器（ANAs）在粒子物理领域的进展与应用，强调其作为可持续的高能加速方案需持续研发以应对未来直线对撞机的挑战。
2025-04-02 physics.acc-ph
Characterisation of Laser Wakefield Acceleration Efficiency with Octave Spanning Near-IR Spectrum Measurements
我们报告的实验测量能量转移效率的GeV级激光尾场加速器。通过同时测量激光光子的减速和电子的加速随等离子体长度的变化，诊断了从激光到等离子体尾场的能量转移，以及从等离子体到加速电子束的能量转移。通过调节等离子体密度和长度，提取效率在$19\pm3$ \%处最大化，提取效率定义为电子束获得的能量与自导激光模式损失的能量的比率。由倍频程跨越激光光谱测量提供的额外信息允许独立优化等离子体效率项，这是提高激光尾场加速器的整体效率的关键目标所需的。
2022-12-20 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Continuous pulse advances in the negative ion source NIO1
本文报告了NIO1负离子源在连续6-7小时脉冲中的铯化与束流性能，最大束流密度约30 A/m^2，共提取电子分数约2%，并首次将等离子体栅极升温至80°C但效果有限。
2023-08-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Design and preliminary operation of a laser absorption diagnostic for the SPIDER RF source
ITER加热中性束（HNB）注入器需要从H-/D-负离子的中性束向等离子体提供16.7 MW的功率，该离子束由RF源产生并加速至1 MeV。为了增强H-/D-的产生，加速系统栅格的面向源（等离子体栅格）的表面将涂覆有Cs，因为其功函数低。铯将在放射源中通过特定的炉进行常规蒸发。监测铯的蒸发速率和铯在源内的分布是ITER热核实验装置获得预期性能的基础。为了正确设计ITER HNB的源并确定其最佳操作实践，在Consorzio RFX的中性束测试设施中开发并建造了原型RF负离子源SPIDER。将在天基信息平台上安装激光吸收光谱诊断仪，以便对铯密度进行定量估计。利用波长可调谐激光器，测量了平行于等离子体栅面和靠近栅面的4条视线上852 nm谱线的吸收谱，并由此测量了Cs在基态的谱线积分密度。这种诊断SPIDER的设计，详细的布局和关键部件。初步安装的诊断Cs炉的测试台上也进行了描述，连同其第一次实验结果;收集的测量上的基态人口减少的影响进行了讨论和部分校正。
2022-11-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Wake Perturbations in Laser- and Beam-Driven Plasma Wakefield Accelerators: A Symmetry-Based Multipole Classification
Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP)（极光大设施核物理部）；Horia Hulubei National Institute for R&D in Physics and Nuclear Engineering (IFIN-HH)（霍里亚·胡利贝伊物理与核工程研发国家研究所）；INFN – Laboratori Nazionali di Frascati（意大利国家核物理研究所弗拉斯卡蒂国家实验室）
通过理想化尾波吹泡的对称性群，将尾波横向扰动按方位角多极阶数m分类，统一解释了激光和束驱动尾波加速器中的束流品质退化现象，并提出了m=3响应通道的可能性。
2026-06-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Characterization of Cs-free negative ion production in the ion source SPIDER by Cavity Ring-Down Spectroscopy
本文利用腔衰荡光谱法表征SPIDER离子源在无铯条件下氢和氘等离子体中的负离子产生，研究射频功率和磁滤场对负离子密度的影响，并探讨环衰荡时间漂移问题。
2023-08-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam intensity and quality predictions for laser-accelerated ions after capture and transport
Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（GSI亥姆霍兹重离子研究中心）；Helmholtz-Institut Jena（耶拿亥姆霍兹研究所）
研究通过优化和评估结合捕获与传输系统，预测激光加速离子在注入传统加速器前的性能，重点在于纵向束流质量及发散度控制。
2026-05-10 physics.acc-ph
Terahertz-driven electron acceleration from subrelativistic to fully relativistic energies in stepped dielectric-lined waveguides
The Cockcroft Institute（科克沃尔研究所）；Sci-Tech Daresbury（达尔斯伯里科学与技术中心）；Department of Physics and Astronomy & Photon Science Institute, The University of Manchester（曼彻斯特大学物理与天文学系及光子科学研究所）
本文提出阶梯式介质衬里波导设计，结合多目标遗传算法与粒子模拟，实现太赫兹脉冲驱动电子从100 keV加速至1 MeV，束流质量优异，验证了太赫兹注入器可行性。
2026-09-29 physics.acc-ph
Design of a 10 GHz minimum-B quadrupole permanent magnet electron cyclotron resonance ion source
本文对一个具有最小B四极磁场拓扑结构的永磁体电子回旋共振离子源（ECRIS）进行了模拟研究。使磁场符合常规ECRIS，其中$B_\textrm{min}/B_\textrm{ECR}$为0.67，并且在10 GHz下最后闭合的磁等值面为1.86 $B_\textrm{ECR}$。平行于场的磁场梯度的分布，影响电子加热效率，覆盖从0到13 T/m的范围，类似于传统的ECRIS。因此，预期新型离子源产生大量的暖电子和高电荷态离子。单电子跟踪模拟用于估计等离子体室壁上的等离子体通量分布，并提供在提取狭缝处的离子密度分布的估计，然后用于离子光学模拟，证明通过低能量束传输的高传输。所设计的离子源的目的是研究，如果四极场拓扑结构可以产生高电荷态光束在可比的强度，以传统的ECRIS和有效地传输它们通过一个低能量束线，从而铺平了道路，超导ARC ECRIS使用相同的字段拓扑结构。最后讨论了该离子源作为单端加速器注入器用于离子束分析的前景。
2020-04-21 physics.acc-ph
Influence of the magnetic filter field topology on the beam divergence at the ELISE test facility
ELISE测试设施拥有一个RF负离子源，配备了一个提取系统，该系统应提供ITER中性束注入器预期电流的一半，保持共同提取的电子与离子的比率低于1。用于抑制共同提取的电子的重要工具是磁过滤场，其由在等离子体栅极（3级提取系统的第一栅极）中流动的电流产生。为了提高源性能，已经测试了用于生产磁过滤场的新概念，将现有系统与附着在源壁上的永磁体相结合。这些新的磁配置的拓扑结构影响提取区域中的束粒子轨迹，从而对整个束流光学产生影响。这些影响将在这篇文章中的特征在于通过研究的束粒子的角分布，测量的束发射光谱（BES）诊断。还将通过测量在接地栅极（第三栅极）和围绕其出口的栅极保持器盒上流动的电流来研究束流的行为。主要的发现是，更广泛的组成部分的光束增加时，磁场被加强的永磁体，即在大多数的共同提取的电子被抑制的情况下。
2022-11-07 physics.acc-ph physics.plasm-ph
