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
Excitation of two-dimensional plasma wakefields by trains of equidistant particle bunches
负责伸长的等离子体波周期的非线性效应进行了数值研究，重点是二维的波。发现了波和驱动器失谐对尾流场振幅的限制。
2013-07-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Modeling of the driver transverse profile for laser wakefield electron acceleration at APOLLON Research Facility
针对APOLLON设施激光尾场加速中焦斑空间不稳定性导致电子束质量退化的问题，提出基于改进Gerchberg-Saxton算法从注量测量恢复激光电场并纳入PIC模拟，显著提高模拟与实验的吻合度。
2023-05-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Assessment of Transverse Instabilities in Proton Driven Hollow Plasma Wakefield Acceleration
在质子驱动等离子体尾流场加速器中引入空心等离子体，以克服均匀等离子体中横向尾流场随半径和时间变化而引起的束流质量下降问题。模拟结果表明，在一个长的空心等离子体通道中，电子可以被加速到能量前沿，同时保持良好的束流质量。然而，该方案对波束通道对准提出了严格的要求。否则将产生沿轴向不对称的横向尾流场，导致驱动聚束的畸变和见证光束质量的恶化。在本文中，通过2D carpellet-in-cell模拟，我们研究了驱动光束通道偏移和初始驱动器倾斜引起的潜在不利影响，然后提出并评估这些驱动器不准确问题的解决方案。
2018-05-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Tolerances to driver-witness misalignment in a quasilinear plasma wakefield accelerator
Heinrich Heine Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；Max-Planck-Institut für Physik（马克斯·普朗克物理研究所）；Budker Institute of Nuclear Physics（布德克尔核物理研究所）；Novosibirsk State University（新西伯利亚国立大学）
本文研究了准线性等离子体wake场加速器中驾驶员-见证者不对齐对发射度保持的影响，开发了分析模型和度量标准，并通过模拟验证了理论预测。
2026-02-19 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
Phase velocity and particle injection in a self-modulated proton-driven plasma wakefield accelerator
结果表明，等离子体波的相速度降低对自调制质子驱动等离子体尾场加速器（SM-PDPWA）的性能有很大影响。使用分析理论和粒子在细胞模拟，我们表明，减少是最大的自调制的线性阶段。当不稳定性非线性饱和时，相速度接近驱动器的相速度。尾流动力学对加速电子的最大能量增益的有害影响可以使用电子的侧注入或通过平滑等离子体密度梯度控制尾流的相速度来避免。
2011-07-30 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
Energy boost in laser wakefield accelerators using sharp density transitions
激光尾流场加速器中的能量增益受到驱动激光脉冲与尾流中高度相对论性电子之间的退相的限制。由于该相位取决于驱动器和腔长度，因此可以通过沿传播适当调整等离子体密度来减轻失相的影响。先前的研究已经讨论了线性尾场区连续锁相的前景。然而，大多数实验都是在高度非线性的状态下进行的，并且依赖于激光脉冲的自导引。由于驱动器演变的复杂性，在这种情况下，实现相位锁定要困难得多。作为一种替代方案，我们研究的情况下，快速重定相在急剧的密度转变，最近实验证明。从唯象模型出发，我们推导出在这种密度分布的电子能量增益的表达式。结果是根据粒子在细胞中的模拟，我们提出了单级和多级的重定相的增益估计。
2015-12-18 physics.acc-ph physics.plasm-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
Enhanced betatron X-rays from axially modulated plasma wakefields
在基于等离子体的加速器的空化状态中，跟随驱动器的高能电子群可以经历电子感应加速器运动。运动导致X射线发射，但亮度和光子能量受到电子初始横坐标的限制。为了克服这一点，我们利用参数不稳定的电子感应加速器运动的空化，轴向调制等离子体。理论和模拟表明，不稳定振荡增加了总的X射线能量和平均光子能量。
2015-04-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Dissipation of weakly nonlinear wakefields due to ion motion
在初始均匀等离子体中，由短驱动器激发的弱非线性等离子体波的寿命受到离子动力学的限制。尾流场包含一个缓慢变化的径向分量，这会导致扰动的离子密度分布和随之而来的破坏等离子体波。我们提出了一种新的方法来表征波的寿命在数值模拟定量和研究如何与离子质量的寿命尺度。我们还讨论了最近提出的方法产生高功率太赫兹辐射的碰撞激光脉冲驱动的反向传播尾场有限的寿命的影响。
2018-07-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Efficiency and beam quality for positron acceleration in loaded plasma wakefields
在等离子体尾流场中加速粒子到高能被认为是一种很有前途的技术，具有很好的能量效率和高梯度。虽然在基于等离子体的电子加速方面取得了重要进展，但等离子体中的正电子加速几乎没有研究，并且尚未确定完全自洽和最佳的方案。对于需要电子-正电子对撞机的高能物理应用，在等离子体尾场中加速正电子的能力是至关重要的。在这里，我们表明，保存的束流质量可以妥协的等离子体尾场加载正电子束，和能量效率和束流质量之间的权衡需要被found.For电子束驱动线性等离子体尾场，我们发现，尽管由正电子束加载引起的横向非线性聚焦力，束团迅速发展向一个平衡分布有限的发射度增长。粒子模拟表明，对于μ m尺度的归一化发射度，不相关能量扩散的增长设置了一个重要的限制。我们的研究结果表明，线性或适度的非线性制度与高斯驱动器提供了一个很好的权衡，同时实现超过30%的能量转移效率和不相关的能量扩散低于1%，而甜甜圈形的驱动器在非线性制度更适合于加速高电荷聚束在更高的梯度，在效率和光束质量之间的折衷退化的成本。
2021-07-02 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
Phase-dependent bubble hosing and resonant amplification of betatron oscillation in few-cycle laser wakefield accelerator
本研究通过PIC模拟与理论分析，揭示了少周期激光尾场加速器中气泡呼吸效应引发电子束感应加速振荡参数放大、导致束质量下降的机制，为长尺度激光尾场加速研究提供了关键参考。
2024-08-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Scheme for proton-driven plasma-wakefield acceleration of positively charged particles in a hollow plasma channel
提出了一种在等离子体尾场加速器中加速带正电粒子的新方案。如果质子驱动束在中空等离子体通道中传播，并且束半径是通道宽度的量级，则驱动器的空间电荷力导致通道壁处的电荷分离，这有助于聚焦沿束轴传播的带正电的见证聚束。在通道中，带正电荷的粒子的加速桶比均匀等离子体的井喷状态大得多，并且长距离的稳定加速是可能的。此外，可以通过改变通道的半径来调整见证物相对于波的相位，以确保加速度是最佳的。二维模拟表明，对于未来可能出现的质子驱动器，带正电的粒子可以稳定地加速超过1公里，平均加速梯度为1.3 GeV/m。
2013-06-07 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effect of transition radiation and dispersion spreading at achievement of a large transformer ratio of driver-bunch energy into wakefield in a dielectric resonator accelerator
本文讨论了在双注正负电子介质谐振腔对撞机中，束团注入时的轮廓序列情况下，增大Transformer比TR的可能性。与前面考虑的波导情况不同，在波导情况下，TR等于对总尾波场有贡献的序列束的加倍数量，并且受到群速度效应的限制，在谐振器中不存在这种限制。对于TR谐振腔的推导，与聚束数成比例，以及在波导中，聚束电荷的比率被选择为等于1：3：5：......，束团长度等于波长的一半，束团间距是波长的倍数。通过数值模拟研究了渡越辐射和色散扩展对Transformer比的影响。
2019-12-27 physics.acc-ph
Stable and high quality electron beams from staged laser and plasma wakefield accelerators
本文介绍了用激光尾场加速器（LWFA）强流电子束驱动等离子体尾场加速器（PWFA）的实验结果。在此阶段设置稳定和高质量（低发散和低能量扩散）的电子束产生在PWFA中的光学产生的流体动力学冲击。在PWFA阶段的安排所产生的光束的能量稳定性是可比的单级激光加速器和等离子体尾场加速器驱动的传统加速器。模拟支持的PWFA驱动器的能量波动的固有的不敏感性，可以利用，以克服稳定性的限制，最先进的激光尾场加速器时，添加一个PWFA阶段。此外，我们证明了产生的电子束的能量扩展和发散优于单级LW-FA，导致在束与密集的相空间和角谱电荷密度超出初始驱动光束参数。这些结果清楚地表明，分级LWFA-PWFA可以帮助定制电子束质量的某些应用，并减少波动的激光驱动器对电子束稳定性的影响。这鼓励进一步发展这种新型的分级尾场加速，作为一种可行的方案，走向紧凑，高质量的电子束源。
2022-06-01 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Generation of meter-scale hydrogen plasmas and efficient, pump-depletion-limited wakefield excitation using 10 GeV electron bunches
本研究依托SLAC的FACET-II装置，用10 GeV时间结构化电子束团生成米级氢等离子体并激发高效尾场，验证了泵浦耗尽效应与能量传输效率，为提升PWFA重复频率和能量效率提供了实验支撑。
2023-10-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Analysis of the blowout plasma wakefields produced by drive beams with elliptical symmetry
针对PWFA吹出状态中横向非对称驱动束问题，本文基于模拟将椭圆吹出截面纳入对称理论扩展，分析线性聚焦场、尾势、匹配条件及长驱动体边界估计。
2025-06-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Wakefield acceleration of self-injected bunch in a conical plasma channels
针对激光尾场加速中自注入粒子束因超驱动速度移出最大加速相位的问题，提出采用锥形渐变通道通过缩小气泡尺寸同步束与尾波相位，所得相关参数变化关系可为后续研究提供参考。
2025-09-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Efficient Acceleration of High-Quality GeV-Electron Bunches in a Hybrid Laser- and Beam-Driven Plasma Wakefield Accelerator
Ludwig–Maximilians–Universität München（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学）；Heinrich Heine Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), CNRS, École polytechnique, ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院应用光学实验室（LOA），法国国家科学研究中心，巴黎综合理工学院）；Max Planck Institut für Quantenoptik（马克斯·普朗克量子光学研究所）；University of Strathclyde（思克莱德大学）；Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）
该研究通过混合激光与束驱动等离子体wakefield加速器，实现了高效率的能量传输，显著提升了驱动束到见证束的能量转换效率。
2026-02-27 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Numerical investigations of heavy ion driven plasma wakefield acceleration
本研究首次针对重离子束驱动的等离子体尾场加速开展数值模拟，依托HIAF的强流高能重离子束，证实重离子可激发6 GV/m的稳定高振幅尾场，为PBA领域提供了一种可行的新驱动方案。
2025-06-17 physics.acc-ph
Plasma lens-based beam extraction and removal system for Plasma Wakefield Acceleration experiments
等离子体尾场加速是最有前途的技术之一，能够克服传统RF技术的限制，并使小型加速器的发展成为可能。相对于激光驱动方案，光束驱动方案不受衍射和失相问题的限制，因此它允许实现更大的加速长度。相反，最突出的缺点之一发生在加速过程结束时，并且包括去除耗尽的高电荷驱动器，同时保留加速见证聚束的主要特征（发射度和峰值电流）。在这里，我们提出了一个理论研究，证明通过使用一个创新的系统组成的阵列的光束准直器和放电毛细管作为活性等离子体透镜，以达到这些目标的可能性。这样的系统允许提取和运输加速的和高度发散的证据束，并且同时提供驱动器的移除。该研究是由一组不同的光束配置进行的数值模拟完成。还研究了粒子与准直器相互作用的物理过程。
2019-09-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Proton-Driven Plasma Wakefield Acceleration for Future HEP Colliders
本文探讨质子驱动等离子体尾场加速对撞机，指出其可实现高亮度正负电子对撞，为希格斯工厂提供可行参数，虽面临技术挑战，但前景广阔。
2025-03-27 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effect of Synchrotron Radiation on Staged Plasma Wakefield Accelerators
INFN, Laboratori Nazionali di Frascati（意大利核物理研究所，弗拉斯卡蒂国家实验室）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）
研究级联等离子体尾场加速器中，级间段同步辐射对加速梯度和最终能量达到的影响。
2026-06-24 hep-ex physics.acc-ph
Thermal wakefield structure in plasma acceleration processes: insights from fluid models and PIC simulations
Department of Physics & INFN, Tor Vergata University of Rome（罗马托维加塔大学物理系及意大利国家核物理研究所）；INFN, Section of Milan（意大利国家核物理研究所米兰分部）；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）
本文通过流体模型和PIC模拟研究了等离子体加速过程中热效应引起的尾场结构，探讨了不同热闭合假设的影响及适用范围。
2025-12-23 physics.acc-ph physics.app-ph physics.plasm-ph
Sub-femtosecond wakefield injector and accelerator based on an undulating plasma bubble controlled by a laser phase
我们证明了一个长传播的等离子体气泡执行波动运动可以产生在两个共同传播的激光脉冲：一个近单周期的注入器和多周期的驱动器。当波动幅度超过解析推导的阈值时，等离子体电子高度局部化地注入气泡中，随后是它们的长距离加速。当注入区的位置由注入脉冲的载波包络相位（CEP）控制时，加速亚飞秒高电荷电子束团的单能谱几乎与CEP无关
2021-04-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coupling and Acceleration of Externally Injected Electron Beams in Laser-Driven Plasma Wakefields
本文通过多维 PIC 模拟研究多级 LWFA 增强级中外注入电子束与激光尾波场的非线性耦合，分析关键参数及离轴注入对电荷耦合和束流质量的影响。
2025-02-14 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Flat beam plasma wakefield accelerator
针对高能对撞机相互作用点的高不对称发射度比粒子束流，研究其驱动等离子体尾场的椭圆特性，推导匹配条件并给出AWA、FACET装置的应用示例。
2023-05-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron trapping and acceleration by the plasma wakefield of a self-modulating proton beam
结果表明，共线注入的电子或正电子到尾场的自调制粒子束是可能的，并确保高的能量增益。见证光束必须与驱动器的尾部共同传播，因为那里的等离子体波相速度可以超过光速，这是有效加速所必需的。如果验证光束是许多尾场周期长，则被俘获的电荷受到光束加载效应的限制。最初的捕获对正电子来说是更好的，但是在加速阶段，相当一部分正电子从波中丢失。为了有效地捕获电子，等离子体边界必须是尖锐的，密度过渡区短于几厘米。正电子不受初始等离子体密度梯度的影响。
2014-08-19 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
Influence of ion motion in a resonantly driven wakefield accelerator
本研究通过模拟揭示了等离子体行波加速器中离子运动对束自调制发展的影响，发现共振损失和相混两种效应共同抑制行波场激发。
2025-12-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Short-range wakefields generated in the blowout regime of plasma-wakefield acceleration
在过去，由电子束团在等离子体中传播产生的尾场的计算已经在线性近似下进行，其中等离子体扰动可以假设为小的，等离子体运动方程线性化。这种近似在井喷状态下被打破，其中高密度电子驱动器将等离子体电子从其路径中排出，并在其尾流中产生电子空腔。在本文中，我们开发了一种技术，允许计算短距离的纵向和横向尾流所产生的见证一束加速内的空腔。我们的结果可用于研究PWFA和LWFA中的束流加载和见证团的不稳定性。
2017-11-10 physics.acc-ph
Excitation of wakefields in carbon nanotubes: a hydrodynamic model approach
本研究采用线性化流体动力学模型研究碳纳米管中尾场的激发，推导了尾场通用表达式，分析了多参数对尾场的影响并得到最大化纵向尾场振幅的最优参数，为短波长高梯度粒子加速新方法提供支撑。
2023-08-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Bright X-ray radiation from plasma bubbles in an evolving laser wakefield accelerator
我们表明，由激光尾场加速器产生的电子束和明亮的x射线的属性可以预测，如果考虑到的距离，激光自聚焦和压缩之前的自注入。基于等离子体气泡内的光束振荡的模型表明，当等离子体长度与激光耗尽长度相匹配时，性能得到优化。对于200 TW激光脉冲，这导致X射线束具有\unit [20]{keV}的中值光子能量，$> 6\times 10^{8}$光子高于\unit [1]{keV}/发射，并且峰值亮度为$\unit[3 \times 10^{22}]{photons~s^{-1}mrad^{-2}mm^{-2} (0.1\% BW)^{-1}}$。
2020-05-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Acceleration of Electrons in Plasma
这是对由强激光脉冲或粒子束驱动的等离子体尾场中电子加速的简要回顾，随后在葡萄牙塞辛布拉举行的2019年欧洲核子研究中心加速器学院等离子体加速器讲座。总结了目前激光尾场加速（LWFA）和束流驱动等离子体尾场加速（PWFA）实验中驱动源及其强度参数和工作参数的共性。介绍了能量限制，包括激光器的退相和耗尽长度，以及束驱动等离子体的Transformer比。引入了尾流哈密顿量的概念，并在相空间中确定了由此产生的粒子轨道，说明了如何确定加速电子的峰值能量和能量扩展。
2020-07-08 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
3D PIC simulation and theoretical modeling of RF Laser pulse in magnetized plasma for the generation of multidimensional relativistic Wakefields
本研究通过3D电磁粒子模拟扩展自洽理论框架，探讨横向射频激发下磁化等离子体中相对论电子束驱动的尾波场调制，揭示磁场与射频共同作用对尾波场的放大、重塑及约束稳定作用，明确多参数对尾波场特征的影响规律。
2025-11-12 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Energy spread minimization in a beam-driven plasma wakefield accelerator
下一代基于等离子体的加速器可以在厘米距离内将电子束推到千兆电子伏的能量。由驱动脉冲激发的等离子体产生大的电场，其可以有效地加速拖尾见证聚束，使得从高能对撞机到超亮光源的实验室规模应用的实现成为可能。到目前为止，几个实验已经证明了显着的加速，但由此产生的光束质量，特别是能量扩散，仍然是远离最先进的传统加速器。在这里，我们展示了一个光束驱动的等离子体加速实验的结果，我们使用了电子束作为驱动器，其次是超短证人。该实验首次展示了一种创新方法，可实现约0.1%的加速见证的超低能量扩展。这比迄今为止所获得的数量级要小。其结果可能会导致一个重大的突破，对等离子体加速过程的优化，并在即将推出的紧凑型机器面向用户的应用程序的实施。
2020-06-02 physics.acc-ph 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
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
High-Quality Electron Beams from Beam-Driven Plasma Accelerators by Wakefield-Induced Ionization Injection
我们提出了一种新的和简单的策略，用于在束流驱动等离子体加速器中控制电离诱导的电子捕获。所提出的方法直接利用电尾场从掺杂剂气体中捕获电子，并将它们捕获到加速和聚焦尾相的明确定义的体积中，从而产生高质量的无源聚束。这种注入原理解释的三维粒子在细胞（PIC）的计算使用代码OSIRIS的例子。在这些模拟中，高电流密度的电子束驱动器激发等离子体波在吹出制度内的完全电离的氢等离子体的密度$5\times10^{17} \mathrm{cm^{-3}}$。在被中性氦气污染的嵌入式$100 \mathrm{μm}$长等离子体柱内，尾流场触发电离，捕获限定比例的释放电子，并随后加速。由此产生的电子束具有$1.5 \mathrm{kA}$峰值电流、$1.5 \mathrm{μm}$横向归一化发射度、在GeV能量尺度上0.3%的不相关能量扩展和几个飞秒聚束长度。
2015-06-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam-driven plasma-wakefield acceleration
University of Oslo（奥斯陆大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；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，国立高等电信学院，巴黎理工学院）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）；John Adams Institute for Accelerator Science, Department of Physics , University of Oxford（牛津大学物理系约翰亚当斯加速器科学研究所）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文综述束流驱动的等离子体尾场加速技术，涵盖其物理原理、束流动力学、关键挑战及未来应用，旨在推动紧凑型高能加速器发展。
2026-09-09 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
High brightness, symmetric electron bunch generation in a plasma wakefield accelerator via a radially-polarized plasma photocathode
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
Proton-driven plasma wakefield acceleration: a path to the future of high-energy particle physics
新的加速技术对于未来基本粒子及其相互作用的阐明是必不可少的。一个很有前途的方法是利用等离子体的性质。过去的研究集中在通过向等离子体中注入强激光脉冲或电子束来产生大振幅等离子体波。然而，在单个等离子体阶段中加速的电子的最大能量增益受限于驱动器的能量。质子束是尾场最有前途的驱动器，可以在单个阶段将电子加速到TeV能量尺度。欧洲核子研究中心的一个实验方案-AWAKE实验-已经启动，以详细研究重要的物理过程，并证明质子驱动的等离子体尾场加速的威力。本文综述了质子驱动等离子体尾场加速器的物理原理和实验研究。
2014-04-02 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Parametric mapping of the efficiency$\unicode{x2013}$instability relation in plasma-wakefield accelerators
本文通过粒子网格模拟，参数化研究了等离子体尾场加速器中效率与束流不稳定性之间的关系，发现该关系为不稳定性强度的下限，并探讨了降低振荡幅度的方法。
2025-05-26 physics.acc-ph
High quality electron beam generation in a proton-driven hollow plasma wakefield accelerator
质子驱动的等离子体尾场加速器的模拟表明，与传统的加速器相比，质子驱动的等离子体尾场加速器具有更高的加速梯度，并且在单个等离子体阶段中将电子加速到能量前沿的可行性。然而，由于强内禀横向场的径向和时间变化，证明光束质量仍然远远不适合在未来的对撞机的实际应用。在这里，我们证明了有效的加速电子在质子驱动的尾场在一个中空的等离子体通道。在这种情况下，见证聚束位于具有强加速场的区域中，不受等离子体电子和离子的影响。我们表明，携带约10%的1 TeV的质子驱动电荷的电子束可以加速到0.6 TeV，保持归一化发射度在一个单一的通道的700米。这种高质量和高电荷束可能为未来基于等离子体的能量前沿对撞机的发展铺平道路。
2017-10-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Long Term Evolution of Plasma Wakefields
我们研究了多个等离子体-电子周期和几个等离子体-离子周期的等离子体尾场的长期演化（LTE），远小于复合时间。这种尾场扰动等离子体在这些时间尺度上的演化和弛豫对等离子体对撞机中重复率的上限具有重要意义。相对论激光器中的强场（或强光束）通过将能量传递给等离子体电子而产生等离子体尾场（ωpe附近的模式）。处于正确相位的带电粒子束可以以数十GeV/m的加速/聚焦梯度加速。然而，尾场留下的等离子体不处于平衡状态，具有多个等离子体-电子周期的弛豫时间。由从被驱动的等离子体电子到等离子体离子的能量转移引起的离子时间尺度上的离子运动可以产生有趣的等离子体状态。最终在LTE期间，等离子体的动力学去相干（通过不稳定性驱动混合的多个模式），热化成随机运动（热力学第二定律），从尾流场耗散能量。尾场驱动器与这样的相对论热等离子体相互作用导致等离子体尾场不同于冷等离子体中的尾场。
2014-05-16 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Heavy ion driven plasma wakefield acceleration with drift-like phase-shift acceleration scheme
Institute of Modern physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院近代物理研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；University of Manchester（曼彻斯特大学）；Cockcroft Institute（科克沃尔研究所）
针对传统密度调制方案尾场退化问题，提出类漂移相移加速方案，通过漂移段控制相移避免退相，模拟显示电子在1.65米内加速至700 MeV，能量展宽5%，并验证了实际可行性。
2026-09-16 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
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
Phase-Space Shaping due to Betatron Cooling in Wakefield Accelerators and the Onset of the Ion-Channel Laser
University of Oxford（牛津大学）
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
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
