Collective Effects and Intense Beam-Plasma Interactions in Ion-Beam-Driven High Energy Density Matter and Inertial Fusion Energy
为了成功地产生离子束驱动的高能量密度物质和重离子聚变能，强流离子束必须以小的光斑尺寸传输并聚焦到靶上。实现这一目标的成功方法之一是在加速器中加速和传输强离子电荷聚束，然后将电荷聚束弹道聚焦在包含中和背景等离子体的加速器的一部分中。这需要在加速器和传输部分中的未中和（非中性）射束传输期间控制空间电荷效应的能力，以及通过使射束传播通过背景等离子体来有效地中和空间电荷和电流的能力。随着束流强度和能量在未来的重离子聚变（HIF）驱动器和快速点火（FI）方法中的增加，预计非线性过程和集体效应将变得比以前的实验更加明显。利用三维电磁粒子模拟（PIC）程序（BEST、WARP-X和LTP-PIC等），理论和建模研究将通过与100 kV普林斯顿高级试验台上的实验数据以及FAIR设施的未来实验进行比较来验证。所开发的理论预测将被缩放到与重离子聚变驱动器和快速点火场景相关的束和等离子体参数。因此，理论研究结果也将对离子束驱动的惯性约束聚变产生聚变能的长期目标做出重要贡献。
2022-01-31 hep-ex physics.acc-ph physics.plasm-ph
Wake field, impedance and collective instability
阻抗概念的第一次提及出现在1966年11月欧洲核子研究中心的内部报告“纵向不稳定性的一个coasting梁以上的过渡，由于行动的集总不连续性”由V.G.瓦卡罗这是许多研究的开始，发生在过去的五十年里，今天，阻抗和尾场仍然是一个重要的活动领域，涉及理论，模拟，实验台和基于波束的测量。建立机器的可靠阻抗或尾流场模型是能够评估机器性能限制、在需要阻抗减小的情况下识别主要贡献者以及研究与其他机制（诸如光学非线性、横向阻尼器、噪声、空间电荷、电子云、束-束）的相互作用的第一个必要步骤束集体不稳定性及其缓解，涵盖了粒子加速器中的广泛影响，并且它们一直是深入研究的主题。随着机器性能的提升，新的机制被揭示出来，现在的挑战在于研究所有这些复杂现象之间的相互作用，因为通常不可能单独对待不同的影响。随着计算机能力的提高，这变得容易了，但继续发展理论的需要仍然存在，以便更好地理解所有这些效应之间的相互作用：粒子加速器中的阻抗和束流不稳定性的主题远未穷尽，正如最近解释或发现的许多新的不稳定性和稳定机制所证明的那样。此外，在研究未来可能的加速器的背景下，一些未知的领域仍然存在，例如，在μ子对撞机必要的电离冷却期间的集体不稳定性。
2021-08-26 physics.acc-ph
Space Charge Effects for Transverse Collective Instabilities in Circular Machines
本文简要回顾了在库仑场和尾流场都很重要的情况下，圆形机器中带电粒子束横向相干不稳定性的研究进展。本文涉及2019年9月23日至27日在瑞士采尔马特举行的ICFA研讨会上关于缓解粒子加速器中相干光束不稳定性的演讲。
2020-05-21 physics.acc-ph
From Localization to Stochastics in BBGKY Collective Dynamics
基于BBGKY族动力学方程，提出了一种快速有效的数值分析方法，用于模拟加速器/等离子体物理模型中复杂的集体行为。我们的计算是基于变分和多分辨方法的多项式张量代数的广义相干态/小波的基础上。通过高局域本征模的多尺度分解，我们构造了约化分布函数的层次表示。数值模拟显示，从本地化模式，这是有关的稳定/不稳定类型的行为和相应的模式（waveletons）的形成不同的内部相干结构的创建。
2002-06-22 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Fast Calculation Methods in Collective Dynamical Models of Beam/Plasma Physics
我们考虑将变分小波方法的修改应用于束/等离子体物理的某些非线性集体模型：从与高强度加速器和传输系统中强带电粒子束传播建模相关的一般BBGKY体系进行弗拉索夫/波尔兹曼式约化。我们使用快速收敛的多尺度变分小波表示的解决方案，允许考虑多项式和合理类型的非线性。的解决方案表示通过非线性高本地化本征模（小波）的多尺度分解。与其他方法相比，我们不使用扰动技术或线性化程序。
2002-06-22 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
The Legacy of the Tevatron in the Area of Accelerator Science
在超过25年的时间里，Tevatron是世界上能量最高的加速器，首次提供了超过1 TeV的粒子碰撞，并实现了超过原始设计目标400倍的最终性能。本文回顾了在Tevatron的整个生命周期中，在建造、操作和改进Tevatron过程中所克服的许多艰巨挑战以及所获得的知识。这些挑战包括：基于超导磁体的加速器的第一次运行，产生足够数量的反质子以支持可用的亮度，束-束、束内和其他集体效应的管理，束纵向相位空间的新颖操纵，以及各种创新技术的开发和应用。这些成就奠定了Tevatron作为所有随后建造的高能强子对撞机的祖先的遗产。
2013-02-11 physics.acc-ph
Driver Accelerator Design for the 10 kW Upgrade of the Jefferson Lab IR FEL
杰斐逊实验室红外自由电子激光器的升级正在建设中。它将在2-10微米的波长范围内提供10千瓦的输出光功率。自由电子激光器将由一个中等大小的80-210 MeV，10 mA的能量回收超导RF（SRF）直线加速器驱动。摇摆器、低束能量和高束电流的严格相空间要求使设计受到许多约束。这些都是由于横向和纵向相空间管理的需要，集体现象（空间电荷，尾流场，束分裂（BBU）和相干同步辐射（CSR））的潜在影响，以及自由电子激光和加速器RF系统之间的相互作用。本报告解决了这些问题，并提出了一个加速器的设计解决方案，满足物理现象和操作的必要性所提出的要求。
2000-08-10 physics.acc-ph
CESR Test Accelerator
康奈尔电子储存环（CESR）于2008年被重新配置为测试加速器，以研究超低发射度阻尼环的物理学。在大约40天/年可用于专用操作作为一个测试加速器，专门的仪器被用来测量的增长和缓解的电子云，发射度增长由于电子云，束内散射，和离子，和单个和多聚束不稳定性产生的集体效应。CESR引导场光学的灵活性和加速器建模代码与控制系统的集成使得实验范围非常广泛。CesrTA关于电子云效应、发射度调谐技术和用于测量电子云、射束尺寸和射束位置的射束仪器的研究结果是ILC阻尼环设计的基础，如ILC技术设计报告所述。该计划使康奈尔大学集团能够培养出对最终工程设计和线性对撞机阻尼环调试至关重要的人才和专业知识。
2013-08-10 physics.acc-ph
Simulation on Buildup of Electron Cloud in Proton Circular Accelerator
电子云与高能正束流的相互作用被认为是导致高功率质子环形加速器真空退化、集体束流不稳定甚至束流损失等各种不良效应的原因。预测电子云不稳定性的一个重要不确定性在于电子云产生和积累的详细过程。对电子云的建立过程进行数值模拟是进一步研究电子云引起的束流不稳定性的必要条件。中国空间中子源（CSNS）是正在建设中的最大的科学工程，其加速器组合体包括两个主要部分：H-直线加速器和快循环同步加速器（RCS）。RCS积累80 MeV质子束，并以25 Hz的重复频率将其加速到1.6GeV。在低能束流注入过程中，出现的电子云会引起真空管的严重不稳定和束流损失。开发了CSNS/RCS中电子云的建立、分布和密度的仿真程序。
2015-08-01 physics.acc-ph
Coherence and superradiance from a plasma-based quasiparticle accelerator
相干光源，例如自由电子激光，为生物学、化学、物理学和先进技术应用提供明亮的光束。增加这些光源的亮度需要逐渐变大的设备，最大的是几公里长（例如，LCLS）。我们能否扭转这一趋势，将这些资源带到大学、医院和工业界的数千个实验室？在这里，我们通过重新思考辐射物理学的基本原理来解决这个长期存在的问题。我们工作的核心是引入基于准粒子的光源，这些光源依赖于发光电荷系综的集体和宏观运动，以考虑单个电荷时非物理的方式进化和辐射。基本概念允许在全新的配置中实现时间相干性和超辐射，提供具有清晰实验特征和革命性特性的辐射。基本的概念是说明与等离子体加速器，但远远超出了这种情况下，如非线性光学配置。准粒子方法的简单性使其适合在现有的激光和加速器设施的实验演示。
2023-01-26 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Benchmarking Collective Effects of Electron Interactions in a Wiggler with OPAL-FEL
OPAL-FEL是最近发展起来的一种用于模拟含有摇摆器或波荡器的粒子加速器的工具。它扩展了完善的三维静电粒子跟踪代码OPAL，将其与时域有限差分电磁求解器MITHRA合并。我们提出了两个基准的情况下，OPAL-FEL模拟实验结果进行了比较。这两个实验都涉及电子束线的纵向相空间调制与短磁摆动器。良好的协议，发现在空间电荷和辐射为主的制度。
2021-12-04 physics.acc-ph
Collective Acceleration of Ions by Means of Plasmoids in RF Wells of Frequency-Modulated Laser Field
所提出的直线加速器（“扫描器”）包括太瓦台式激光器和一组无源元件-分束器、用于激光脉冲的拉伸和分束的啁啾的色散元件以及用于交叉频率调制激光束的角度扫描的色散元件。在扫描激光束的交叉区，离子被等离子体团的电子成分捕获并加速在RF阱中。计算研究给出了令人鼓舞的结果。介绍了一个基于台式激光器的原理验证实验。
2000-08-18 physics.acc-ph physics.comp-ph
Beam dynamics performances and applications of a low-energy electron-beam magnetic bunch compressor
电子直线加速器的许多前端应用依赖于临时压缩聚束的产生。电子束团的缩短通常是通过位于加速器高能部分的磁束团压缩器来实现的。磁压缩受到集体效应的影响，包括空间电荷和通过相干同步辐射的自相互作用。在本文中，我们探讨了应用磁压缩低能量（$\sim 40$ MeV），高电荷（nC）电子束团与低归一化横向发射率（$< 5$ $μ$ m）。
2013-02-04 physics.acc-ph
The Effect of Gas Ion Bombardment on the Secondary Electron Yield of TiN, TiCN and TiZrV Coatings For Suppressing Collective Electron Effects in Storage Rings
在许多运行正电荷束流的加速器储存环中，束管中残留气体的电离和次级电子发射（SEE）将引起电子云，其可导致束流爆破或循环束流的损失。抑制电子云形成的预防措施是确保真空壁具有低的二次发射产额（SEY）。在各种条件下测量TiN、溅射沉积的非蒸发吸气剂和新型TiCN合金的薄膜的SEY，包括来自残余气体的再污染的影响。
2006-03-22 physics.acc-ph
Solid-state Tube Wakefield Accelerator using Surface Waves in Crystals
固体或晶体加速一直被认为是先进粒子加速的前沿。然而，提供$\rm TVm^{-1}$加速梯度的固态加速机制的实验研究受到几个技术限制的阻碍。主要的限制是阿秒粒子或光子源的不适用于激发集体模式在散装晶体。其次，有显着的困难与直接高强度照射散装固体，如由于晶体缺陷和碰撞等光束不稳定性，在这项工作中，我们模拟了一个实验上可行的固态加速机制，使用集体电子振荡晶体中，维持传播表面波。这些表面波在具有管壁密度$n_{\rm tube}\sim10^{22-24}\rm cm^{-3}$的管形纳米结构晶体中的亚微米长粒子束的尾流中被驱动。粒子在细胞（PIC）模拟实验约束下进行的证明了使用固态管尾流场加速制度访问几个$\rm TVm^{-1}$的平均加速度梯度的可能性。此外，我们的模拟表明，作为表面振荡和resultanity表面波过渡到一个非线性或“crunch-在”制度下$n_{\rm beam}/n_{\rm tube} \gtrsim 0.05$，不仅平均梯度增加，但强大的横向聚焦场延伸到管轴的可能性。这项工作表明，固态管尾场加速器（SOTWA）的近期实验实现。（根据提交要求进行截断）
2021-01-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
Single-Particle Dynamics in a Nonlinear Accelerator Lattice: Attaining a Large Tune Spread with Octupoles in IOTA
费米实验室正在建造集成光学测试加速器（IOTA），作为加速器研发计划的核心，以实现高强度圆形机器。在目前的圆形加速器中，限制束流强度的因素之一是集体不稳定性，如果不稳定性足够慢，则可以通过朗道阻尼机制或外部阻尼器的电子感应加速器频率（调谐）的扩展来抑制集体不稳定性。扩散通常由八极磁体产生，八极磁体引入了对振幅的调谐依赖性，在某些情况下，通过色扩散（对粒子动量的调谐依赖性）。八极子的引入通常具有有益的（改进的朗道阻尼）和有害的性质，例如共振行为和动态孔径的减小。IOTA环的研究目标之一是在特殊但现实的加速器配置中使用传统的八极磁体，实现大的电子感应加速器调谐扩展，同时保持大的动态孔径。在本文中，我们提出的电子束在IOTA的粒子跟踪和频率图分析的计算机模拟结果。结果表明，环的八极磁铁可以配置为提供一个电子感应加速器调谐偏移0.08（粒子在大振幅）的动态孔径超过20束西格玛为150 MeV的电子束。同步加速器运动、晶格误差和磁体缺陷的影响对于由环的设计设定的公差的参数和水平而言是微不足道的。所描述的八极插入件可以有益于增强高强度机器中的朗道阻尼。
2017-03-28 physics.acc-ph
Conditional Guided Generative Diffusion for Particle Accelerator Beam Diagnostics
本文提出一种基于条件扩散模型的非侵入式虚拟诊断方法，用于以兆像素分辨率重建电子束纵向相空间，并在欧洲XFEL实验数据上验证其生成能力。
2024-07-18 physics.acc-ph
Monte Carlo_Based Beam Dynamics Study of a Compact Linear Accelerator for Localized X_ray Generation
Department of Physics and Energy Engineering, Amirkabir University of Technology（德黑兰理工大学物理与能源工程系）
通过蒙特卡洛束流动力学模拟，比较了固定长度0.5米的紧凑型直线加速器在60 keV和300 keV两种工作模式下的束流传输性能，发现低能模式受集体效应影响显著，而高能模式具有更好的束流刚性。
2026-06-23 physics.acc-ph
Parametric Landau damping of space charge modes
朗道阻尼是等离子体和束稳定的机制;它通过从集体模式到共振粒子的非相干运动的能量转移而产生。通常，这种共振需要共振粒子的频率与集体模式频率相匹配。我们已经确定了一个重要的新的阻尼机制，{ \it参数朗道阻尼}，这是由模式-粒子相互作用的调制驱动。这揭示了新的可能性，通过操纵粒子和模式粒子耦合光谱的稳定性控制。通过对具有空间电荷的加速器束团横向相干模的模拟，证明了参量朗道阻尼的存在。
2017-12-27 physics.acc-ph
Landau Damping
本文阐述朗道阻尼作为抑制束流不稳定性、保障粒子束质量的关键机制，分析其成因并给出控制方法，以指导加速器设计与运行。
2025-10-17 physics.acc-ph
Beyond the Limits of 1D Coherent Synchrotron Radiation
集体效应的理解是现代加速器的性能的设计和优化的根本重要性。特别是，对光束质量有严格要求的加速器的设计，例如自由电子激光器（FEL），高度依赖于模拟、理论和实验之间的对应关系，以便正确地解释相干同步辐射（CSR）的效应和其他集体效应。加速器模拟代码中的传统方法是利用CSR力的解析一维近似。我们提出了一个扩展的一维CSR理论，以正确地考虑CSR力的入口和出口的偏转磁铁。该解决方案的适用范围有限，特别是在具有大横向光斑尺寸或偏离标称轴的束中。最近开发的代码直接从Lienard-Wiechert势计算色散区域中的CSR效应，尽管使用近似以提高计算时间。开发了通用粒子示踪剂（GPT）程序的一个新模块，用于模拟CSR的影响，并与其他程序进行了比较。我们实验证明偏离常用的一维CSR理论更极端的束团长度压缩的情况下，在费米自由电子激光设施。更好的协议被发现之间的实验数据和代码，占束的横向范围，特别是在更极端的压缩情况。
2018-05-15 physics.acc-ph
Final Physics Design of Proton Improvement Plan-II At Fermilab
本文介绍了费米实验室质子改进计划-II的最终物理设计，针对直线加速器及其束流传输线中的集体效应、参数共振和空间电荷非线性等挑战，提出了有效策略以改善束流质量和稳定性，为未来加速器设计提供了重要参考。
2024-05-31 physics.acc-ph
Adaptive Machine Learning for Time-Varying Systems: Towards 6D Phase Space Diagnostics of Short Intense Charged Particle Beams
随着带电粒子束团变得更短和更强，非线性束团内集体相互作用的影响，如空间电荷力和束团到束团的影响，如尾场和相干同步辐射也增加。更短、更强的聚束也更难以准确成像，因为它们的尺寸超出了现有诊断的分辨率，并且它们可能对拦截诊断具有破坏性。对于强高能束流的详细诊断的有限可用性是加速器社区的一个根本挑战，因为束流和加速器都是以不可预测的方式变化的时变系统。从源出射的光束的详细6D（x，y，z，px，py，pz）分布由于诸如演变的光阴极激光强度分布和光阴极的量子效率的因素而随时间变化。加速器磁体、射频放大器和控制系统会受到外部干扰、束流加载效应、温度变化和未对准的干扰。虽然机器学习（ML）方法近年来在加速器社区中越来越受欢迎，但当涉及到时变系统时，它们从根本上受到限制，对于这些系统，目前的大多数方法只是简单地收集大型新数据集并进行重新训练，这对于繁忙的加速器用户设施来说是不可行的，因为详细的束测量通常会中断操作。需要为时变系统设计的新的自适应机器学习（AML）方法，通过将深度学习工具（例如基于卷积神经网络的编码器-解码器架构、模型独立反馈、物理约束和在线模型）与实时非侵入性光束数据相结合，来帮助诊断和控制高强度超短光束，以提供强束团动态的详细虚拟视图。
2022-03-22 physics.acc-ph
