Transverse Beam Envelope Measurements and the Limitations of the 3-Screen Emittance Method for Space-Charge Dominated Beams
在其正常操作模式下，阿贡尾波场加速器设施使用高电荷（10-100 nC）、短脉冲（3-5 psec）驱动聚束来激发各种慢波结构中的高梯度加速场。为了产生这一束，我们设计了一个1.5细胞，L波段，射频光阴极枪发射补偿螺线管，以提供最佳的性能在高电荷，它最近已完成调试。最近，我们已经开始研究使用这种枪在高亮度，低电荷的操作模式，与电荷等于约1 nC，高精度测量尾流场的可能性。两个相关的测量报告在本文中：（1）测量的横向束包络进行比较，预测从束流动力学代码PARMELA;和（2）调查使用修改后的3屏幕发射度测量方法，使用的束包络模型，包括空间电荷和发射度的影响。这两个测量是为1 nC，8兆电子伏的光束在漂移区直接以下的射频光阴极枪。
2004-10-01 physics.acc-ph
Space-Charge Dominated Beam Transport via Multiresolution
我们考虑空间电荷占主导地位的束流传输系统，其中空间电荷力是相同的顺序作为外部聚焦力和相应的发射度增长的动态。我们考虑了不同非线性包络模型和Vlasov系统描述的初始集体动力学图象中的相干振荡模和相干不稳定性。我们的计算是基于变分方法和高局域化的广义相干态/子波的基础上的多分辨率。我们通过非线性高局部化的本征模展开的基础上的紧支撑小波和小波包基控制的基础多尺度动力学过程的贡献。
2001-06-02 math-ph math.MP nlin.PS
Predicting the transverse emittance of space charge dominated beams using the phase advance scan technique and a fully connected neural network
带电粒子束的横向发射度是许多加速器应用的重要品质因数，例如超快电子衍射、自由电子激光和一般的新紧凑加速器概念的操作。确定横向发射度的最容易实现的方法之一是使用聚焦元件和屏幕的相位超前扫描方法。该方法已被证明在热状态下工作良好。然而，在空间电荷占主导地位的层流制度，该计划变得难以应用，因为缺乏一个封闭的描述束包络包括空间电荷的影响。此外，为了确保准确的结果，必须满足某些数学以及光束线设计标准。在这项工作中，我们表明，即使在不符合这些标准的设置中，也可以使用全连接神经网络（FCNN）来分析相位超前扫描数据。在模拟研究中，我们通过将其与基于波束包络方程的传统拟合例程进行比较来评估FCNN的性能。随后，我们使用预先训练的FCNN来评估测量的相位超前扫描数据，最终与数值模拟产生更好的一致性。为了解决确认偏差的问题，我们采用额外的基于掩模的发射度测量技术。
2022-05-23 physics.acc-ph
Soliton Gas in Space-Charge Dominated Beams
从描述自洽非线性光束动力学和集体过程的Vlasov-麦克斯韦方程组出发，研究了强流片状光束通过周期聚焦场的演化.结果表明，在光束具有均匀相空间密度的情况下，Vlasov-麦克斯韦方程组可以精确地用与麦克斯韦方程组耦合的具有三重绝热压力定律的流体动力学方程组代替。我们进一步证明了从流体动力学方程组和麦克斯韦方程组出发，可以导出一组关于密度波慢变振幅的耦合非线性薛定谔方程。在某一模式的密度波和外部聚焦之间的参数共振发生的情况下，在冷束限制的共振振幅的缓慢演变示出由耦合的Gross-Pitaevskii方程的系统。本文讨论了非线性薛定谔方程和Gross-Pitaevskii方程的性质，以及强流粒子束中孤子和凝聚态的形成。
2003-09-23 nlin.PS physics.acc-ph
Structure resonance crossing in space charge dominated beams
作为对空间电荷效应引起的相干结构共振的理论研究[Chao Li and R. A. Jameson，Phys. Rev. Accel. Beams 21，024204，2018]，本文旨在演示当$90^{\circ}$相位提前周围的预测混合相干2/4阶结构共振阻带被跨越时，光束作为一个整体如何受到自发影响。利用不同阶结构共振的混合特性，很好地解释了结构共振交叉过程中束流的均方根发射度增长和相空间中出现2/4阶结构等特性。在结构共振阻带中，从下交叉和上交叉产生的相关“吸引”和“排斥”效应被认为是电子束对相干结构共振的自然反应，即电子束自发地移动到无结构共振区，空间电荷的重要性减弱。在PIC模拟中，发现束流在结构谐振阻带内的时间与束流发射度的增长呈正相关。作为一个潜在的候选机制，非相干粒子核共振也已被检查。结果发现，这种非相干共振有基本的困难，解释从自洽PIC模拟得到的结果。非相干粒子-芯共振可能导致相空间畸变、发射度增长或束晕形成，但仅限于长时间尺度。这种清晰的相干和非相干共振机制之间的差异将导致更好地理解最近获得的数值研究和实验研究。此外，类似的理解可以扩展到高阶结构共振的研究。
2018-07-03 physics.acc-ph
Project X with Rapid Cycling and Dual Storage Superconducting Synchrotrons
研究中微子振荡和稀有介子衰变是X计划的主要物理目标。成功的物理结果依赖于高强度中微子和介子（K+和μ）束的可行性。为了实现这一目标，我们提出了由同步加速器主导的加速器系统（选项A），作为由直线加速器主导的加速器系统（选项B）的技术上更容易和更具成本效益的替代方案。概述了基于同步加速器的加速器系统及其主要组成部分，并提出和讨论了中微子和介子束生产的预期质子束功率。
2012-05-07 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
Scaling Behavior of Circular Colliders Dominated by Synchrotron Radiation
相当低的希格斯粒子质量使得下一个高能设施很自然地成为一个圆形的e+e-希格斯工厂，然后，在同一个隧道中的下一代p，p对撞机。测量亮度限制现象的同步辐射功率损失，束-束相互作用的限制，和beamstrahlung，标度律的建立，固定的希格斯工厂的所有参数，作为假设的半径$r$，和RF功率$P$的函数。至少是第一个近似值。从历史上看，电子和强子环的加速器形式主要是通过同步辐射对电子的重要性和对质子的不重要性来区分的。虽然电子束在几秒钟内达到平衡，但质子束分布在很长一段时间内基本上完好无损。对于未来的强子对撞机，这种区分将不再有效。这将对未来FCC-PP质子对撞机的设计产生很大影响，其参数可以使用以前仅适用于电子环的公式进行外推。最重要的标度律具有依赖于$r$和$P_{\rm rf}$的光度，该光度仅作为它们的乘积$rP$的函数。这种关系简化了选择一个隧道半径，这是最佳的希格斯工厂和p，p对撞机，而（几乎）最小化的初始成本--通过增加$r$和减少$P$成比例，隧道周长可以增加（如所需的p，p）没有显着增加希格斯工厂的成本。
2015-04-07 physics.acc-ph
Beam Dynamics Simulation for the High Intensity DAEδALUS Cyclotrons
在DAEδALUS（Decay-At-rest Experiment for δCP studies At the Laboratory for Underground Science）项目中，提出了高功率H+2回旋加速器链，以有效地提供动能为800 MeV、平均功率在MW范围内的质子束。空间电荷在注入器和环形回旋加速器中都发挥着关键作用。大规模粒子模拟表明，注入器回旋加速器是一种空间电荷主导的回旋加速器，并且可以在隔膜上以可容忍的束流损失提取5 mA的束流电流。相比之下，在环形回旋加速器，没有空间电荷引起的束流损失期间观察到加速和提取。
2012-09-26 physics.acc-ph
Development of Beams Optics Code LEADS-v5
为了计算空间电荷控制束流在6D相空间中的非线性输运，开发了一个计算机程序包LEADS-v5（线性和静电加速器动力学模拟）。该代码计算粒子运动的束流传输系统组成的静电和磁聚焦透镜，离子分析仪，多极和射频加速结构。采用李代数方法分析了外电场/磁场的非线性力，并采用PIC方法计算了空间电荷力。在编码中，粒子分布可以选择均匀分布和高斯分布，以随机生成粒子的初始坐标。为合理、快速地进行束流光学设计提供了优化方法。计算结果以图形方式显示。
2022-02-12 physics.acc-ph
Nonlinear Dynamics of High-Brightness Beams
考虑相对论性空间电荷支配束流的横向动力学和束团振荡引起的束晕生长，是基于对均方根包络方程的有理（在动力学变量上）近似的变分方法。它允许控制每个尺度的基础多尺度的贡献，并通过精确的非线性本征模展开表示的解决方案。我们的方法是基于方法提供的可能性，工作在相空间中的本地化基地和良好的收敛性能，相应的扩展。
2001-06-02 math-ph math.MP nlin.PS
Chaotic dynamics driven by particle-core interactions
现代直线加速器中的高强度束流经常被漫射晕所包围，这会导致持续的粒子损失，并导致加速结构的逐渐退化。在很大程度上，光晕的增长是由光束内部的空间电荷力促进的，对这一过程的详细描述构成了正在进行的研究的一个活跃领域。粒子-核心相互作用范式--一种数学模型，其中受核心集体势影响的单粒子动力学被视为光束更广泛行为的代理，提出了对空间电荷主导光束内随之而来的动力学的部分理解。在这项工作中，我们调查的大规模的混乱的发病条件在这个模型的框架内，并证明了对随机演化的倾向是强烈依赖于光束的电荷分布。特别是，我们表明，虽然均匀带电的光束内的粒子运动是占主导地位的规则，快速确定性的混沌很容易出现在空间电荷占主导地位的高斯光束。重要的是，我们发现，对于足够高的值的光束的空间电荷和束脉冲振幅，增强的核心和晕之间的混沌混合可以导致增强的带电粒子的径向扩散。我们解释我们的结果从分析的理由证明，混沌运动是由两个主共振系统的交叉点，并推导出相关的重叠条件。此外，我们的分析阐明了粒子-核相互作用模型的数学表述和Andoyer族的可积哈密顿量之间的密切联系。
2021-11-18 math.DS physics.acc-ph
Low Space-Charge Intensity Beams in UMER via Collimation and Solenoid Focusing
马里兰大学电子环（UMER）的传统上在强空间电荷占主导地位的光束传输制度，但小电流束是可取的，以显着减少直接（非相干）的空间电荷调谐偏移以及调谐抑郁症。这个制度是感兴趣的模拟空间电荷效应在大型质子和离子环类似于那些用于核物理和spiral中子源，也为晶格的非线性动力学研究的启发上的集成光学测试加速器（IOTA）。我们回顾了空间电荷强度的定义，UMER和其他机器中的空间电荷参数的比较，并讨论了一个简单的方法，包括双准直和螺线管聚焦用于改变注入UMER的光束的空间电荷强度。
2018-10-09 physics.acc-ph
Evolutionary genetic optimization of the injector beam dynamics for the ERL test facility at IHEP
能量恢复直线加速器实验装置（ERL-TF）是北京高能物理研究所提出的一种紧凑型ERL-FEL（自由电子激光）两用装置。作为ERL-TF的重要组成部分，对光阴极直流电子枪启动的光阴极注入器进行了设计和初步优化。本文提出了一种进化遗传算法，即非支配排序遗传算法Ⅱ，用于优化注入器束流动力学，特别是在高电荷运行模式下。研究表明，采用均方根横向尺寸为1~ 1.2mm的入射激光，可使电子束在注入器末端的归一化发射度保持在1 mm·mrad以下。本文的工作与前期采用迭代扫描方法对低充量运行模式的优化结果一起，为ERL-TF注入器的建设和调试提供了指导和信心。
2013-11-08 physics.acc-ph
Particle-In-Cell Simulation of RFQ in SSC - Linac
设计了一台52 MHz射频四极直线加速器，作为SSC直线加速器系统（分离扇区回旋加速器注入器）的初始结构。设计注入能量为3.5keV/u，输出能量为143 keV/u。使用三维粒子网格程序BEAMPATH [1]进行了在CO2中的束流动力学研究。模拟结果表明，该结构在零电流模式和空间电荷主导模式下，束流传输效率稳定在95%以上。束流的横向和纵向加速质量都很好，很容易被漂移管直线加速器（DTL）接受。研究了叶片误差和空间电荷对束流参数的影响，确定了叶片加工和校准的工程公差。
2010-02-05 physics.acc-ph
Space-charge transport limits of ion beams in periodic quadrupole focusing channels
在实验和粒子模拟中已经经验性地观察到，当未抑制的相位超前σ_0增加超过每个晶格周期约85度时，空间电荷主导的光束在统计相空间面积（质量下降）中遭受强烈增长，并且在交替梯度四极传输通道中遭受粒子损失。虽然这一准则已被广泛应用于强聚焦强流束输运晶格的实际设计中，但这一极限的起源还不清楚。我们提出了一种机制的运输限制产生的类晕粒子共振的核心附近的光束，允许近边缘粒子的振荡幅度迅速增加时，空间电荷强度和颤振的匹配光束包络都足够大。当与扩散束边缘和/或束核心内部的扰动耦合时，该机制可以导致束的统计相空间面积的大而快速的光晕驱动增加、损失的粒子和劣化的传输。一个核心颗粒模型被应用到参数化分析这一过程。广泛的自洽粒子在细胞模拟，以更好地量化空间电荷限制和验证核心粒子模型的预测。
2006-02-27 physics.acc-ph
Analytical description of photon beam phase spaces in Inverse Compton Scattering sources
我们重新描述逆康普顿散射源和其中产生的光子束，强调其相空间密度分布的行为，以及它们如何依赖于电子和光子的两个碰撞光束。主要目的是提供实用的带宽，光谱密度，亮度，这是有效的，在一般情况下的反冲因子的任何值，即在汤姆逊制度的可忽略的电子反冲，并在深康普顿反冲为主的区域，这是感兴趣的伽玛-伽玛对撞机和康普顿源的生产多GeV的光子束。我们采用了基于电子-光子碰撞的质量参考系中心的描述，以强调电子反冲的作用以及它如何控制各种制度中的相对论多普勒/升压效应。在各种情况下的逆康普顿散射的蒙特卡罗模拟的比较，显示出非常好的协议与分析公式：特别地，我们发现带宽对电子束流发射度的依赖性在汤姆逊区中是最重要的，因为它限制了赋予电子束的聚焦量，在深康普顿区中变得不太敏感，允许电子束的更强聚焦以增强亮度而不损失单色性。关于入射光子的频率扩展的带宽依赖性，也会发生类似的效应：在深反冲状态下，带宽对频率扩展的依赖性要小得多。
2017-05-22 physics.acc-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
Physics of nanocoulomb-class electron beams in laser-plasma wakefields
激光尾流场加速（LWFA）和粒子驱动的等离子体尾流场加速（PWFA）虽然是高梯度等离子体加速的相关分支，但通常被视为独立的。然而，新的建议计划越来越多地居住在这两个概念的接口，他们的相互作用的理解变得至关重要。在这里，我们报告的实验涵盖了广泛的参数，通过使用纳库伦级准单能电子束LWFA与100 TW级激光。基于受控的电子注入，这些光束在激光到光束的能量转移效率（高达10%），光谱电荷密度（经常超过10 pC/MeV）和发散度（1 mrad半最大发散度全宽）方面达到了创纪录的性能。电荷波动对电子聚束的能谱的影响进行评估，不同的激光参数，包括几个周期的激光，然后由LWFA与两个电子聚束的光束加载的结果介绍。这种情况下是特别有前途的，以提供高质量的电子束，通过使用聚束之一，以定制的激光尾场通过束加载或驱动自己的，束主导的尾场。我们提出了后者的实验证据，显示了一个不同的加速度的低能量的见证光束相对于一个高能量的驱动光束在空间上分离的气体目标的电荷。随着拍瓦级激光器的日益可用，将进一步促进对这种新的激光等离子体尾场加速机制的访问，从而为未来的基于等离子体的对撞机或光源提供低发射度光束产生的新途径。
2020-04-21 physics.acc-ph physics.optics
Overcoming the space-charge dilemma in low-energy heavy ion beams via a multistage acceleration lens system
National Institute for Fusion Science（国立研究开发法人核融合科学研究所）；Graduate School of Frontier Sciences, The University of Tokyo（东京大学前沿科学研究生院）；Department of Advanced Energy Engineering, Kyushu University（九州大学先进能源工学系）；Collider-Accelerator Department, Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室对撞机加速器部）
本研究通过多级加速透镜系统克服低能重离子束空间电荷限制，实现高束流稳定传输，适用于等离子体诊断等应用。
2026-01-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Detecting chaos in particle accelerators through the frequency map analysis method
在粒子加速器中，束流的运动受到大量非线性效应的支配，这些非线性效应会增强束流的混沌运动并限制其性能。应用先进的非线性动力学方法来检测和校正这些效应，从而增加射束稳定性的区域，在加速器设计阶段以及它们的操作过程中起着至关重要的作用。在描述了非线性效应的本质及其对不同类型粒子加速器性能参数的影响之后，概述了粒子非线性运动的理论。本文详细介绍了用于分析混沌光束运动的各种方法的最新进展。特别是，频率图分析方法检测混沌运动和指导非线性效应的校正的能力被证明在粒子跟踪模拟，但也实验数据。
2014-06-05 nlin.CD physics.acc-ph
Imaging with GeV muons produced via laser-wakefield-accelerated electrons
Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics（极轻基础设施-核物理）；Faculty of Physics, University of Bucharest（布加勒斯特大学物理学院）
本研究利用激光尾场加速电子产生的GeVμ子束，通过μ子成像探测器在长达42米的实验装置中测量束流轮廓并成像，结合蒙特卡洛模拟验证，首次实现了人工激光驱动μ子束主导的成像。
2026-09-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Measuring and Controlling the Energy Spread in CEBAF
与电子储存环相比，再循环直线加速器的一个优点是，由于新的束流不断地注入加速器中，因此靶处的束流特性不再由量子辐射扩散和辐射阻尼之间的平衡所支配。这使得来自CEBAF型机器的能量扩散相对较小;在4 GeV下从CEBAF测量的能量扩散在几天的时间内累积不到百万分之100。在本文中，各种子系统有助于CEBAF型加速器的能量传播进行审查，以及机器的诊断和控制，用于CEBAF，以确保在日常运行过程中提供一个小的能量传播。相关发展的例子是：（1）从注入器中出现稳定的短束团，（2）线性加速器相对于所有通道上束团质心的精确定时和定相，（3）实现2 kHz采样率反馈系统以实现最终能量稳定，以及（4）利用光学跃迁辐射装置进行连续束能量扩展监测。我们目前的测量结果表明，小的能量扩展，实现了在较长的时间。
2000-09-27 physics.acc-ph
Phase space dynamics of a plasma wakefield dechirper for energy spread reduction
基于等离子体的加速器近年来取得了令人印象深刻的进展。然而，在这些加速器中获得的光束能量扩散仍然处于~ 1%的水平，比诸如相干光源或对撞机等具有挑战性的应用所需的大近一个数量级。在等离子体加速器中，束的能量扩展主要由其能量啁啾（纵向相关能量扩展）决定。在这里，我们表明，当一个初始啁啾的电子束从直线加速器与适当的电流分布发送通过低密度等离子体结构，束的自唤醒可以显着降低其能量啁啾和整体能量扩散。分辨率受限的能谱测量显示，束流能量扩展从1.28%减小到0.41%半高宽，去斜强度为~ 1（MV/m）/（mm pC）。精细的时间分辨相空间测量，结合高保真度三维粒子模拟，进一步表明去调频器后的实际能量扩展仅为约0.13%（FWHM），初始能量扩展的10倍减少。
2019-04-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Stable 50 MeV Beams from a 100 Hz Laser-Wakefield Accelerator Driven by an OPCPA Laser
Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), UMR 9012（伊雷娜·约里奥-居里双无穷大物理实验室）；Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), CNRS, École polytechnique, ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（应用光学实验室）；Department of Physics, Lund University（隆德大学物理系）；FTMC – Center for Physical Sciences and Technology（物理科学与技术中心）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）
本研究利用OPCPA激光器驱动100 Hz激光尾场加速器，产生稳定准单能电子束，通过非线性自聚焦实现局域电离注入，为高平均功率加速器奠定基础。
2026-09-23 physics.acc-ph physics.plasm-ph
IOTA Experiment for Proton Pulse Compression at Extreme Space-Charge
Northern Illinois University（北伊利诺伊大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）
IOTA实验通过优化射频参数和晶格配置，研究极空间电荷条件下质子束的纵向压缩及横向上束流质量的保持。
2025-12-02 hep-ex physics.acc-ph
