[论文解读] Plasma Wake Accelerators: Introduction and Historical Overview

V. Malka|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文对等离子体尾波加速器提供了全面的介绍和历史综述，详细说明了强激光或粒子束如何激发等离子体波，产生高达 GV/m 的加速场，从而实现紧凑型、高梯度的粒子加速。文章强调了关键里程碑，从20世纪70年代的理论设想到电子和质子加速的实验验证，并概述了未来紧凑型自由电子激光器和TeV量级对撞机的潜力。

ABSTRACT

Fundamental questions on the nature of matter and energy have found answers thanks to the use of particle accelerators. Societal applications, such as cancer treatment or cancer imaging, illustrate the impact of accelerators in our current life. Today, accelerators use metallic cavities that sustain electricfields with values limited to about 100 MV/m. Because of their ability to support extreme accelerating gradients, the plasma medium has recently been proposed for future cavity-like accelerating structures. This contribution highlights the tremendous evolution of plasma accelerators driven by either laser or particle beams that allow the production of high quality particle beams with a degree of tunability and a set of parameters that make them very pertinent for many applications.

研究动机与目标

• 为该领域的新研究者提供等离子体尾波加速的基础理解。
• 追溯激光和粒子束驱动的等离子体尾波加速从理论设想到实验实现的历史发展。
• 突出展示使紧凑等离子体结构中实现GV/m量级加速梯度的关键技术与科学里程碑。
• 概述等离子体尾波加速器在未来高能物理、医学和光源技术中的潜在应用。
• 将等离子体尾波加速定位为下一代粒子加速器和紧凑辐射源的变革性技术。

提出的方法

• 通过强激光脉冲的非线性辐射压力激发等离子体波的理论分析，产生具有高加速梯度的相对论性等离子体波。
• 利用相对论性等离子体波框架和电子等离子体频率 $\omega_{\mathrm{pe}} = \sqrt{\frac{n_{\mathrm{e}}e^{2}}{m_{\mathrm{e}}\varepsilon_{\mathrm{0}}}}$ 对激光驱动等离子体尾波中的电子捕获与加速进行建模。
• 对电子束和质子束驱动的等离子体尾波进行数值模拟，包括超相对论性电子束和质子束 train 的自调制过程。
• 利用高功率激光（例如40 TW的Vulcan激光）进行实验验证，实现在等离子体中产生并测量超过100 GV/m的加速梯度。
• 使用电子能谱仪、丝秒级相机测量相干辐射过渡辐射，以及电光传感器等诊断工具，表征电子和质子束。
• 应用激光尾波加速和粒子束尾波加速方案，在亚毫米至米量级的等离子体结构中实现高质量、准单能电子束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何激发等离子体波以维持GV/m量级的加速场，从而实现紧凑型粒子加速器？
• RQ2 在激光尾波加速器中，哪些关键物理机制（如自注入和捕获）能够实现高质量电子束的生成？
• RQ3 电子束和质子束驱动器在激发适合高能加速的等离子体尾波方面有何差异？
• RQ4 在何种条件下，相对论性电子或质子束的自调制能够实现向等离子体波的高效能量转移？
• RQ5 等离子体尾波加速器在多GeV和TeV能量量级上扩展的前景如何，以用于未来的对撞机和光源？

主要发现

• 在非线性区，激光尾波加速实现了超过100 GV/m的加速梯度，使电子在毫米量级距离内实现加速。
• 通过电子自注入进入等离子体尾波场，实现了能量高达数十MeV的准单能电子束，且在紧凑的10 Hz激光系统中完成。
• 质子驱动的等离子体尾波加速被提出为实现单级TeV量级能量增益的可行路径，模拟显示在厘米量级等离子体中可实现多GeV加速。
• 观测到激光尾波加速电子产生的贝塔辐射，其持续时间小于1皮秒，横向尺寸为微米量级，可实现高分辨率单次曝光X射线相位成像。
• CERN的AWAKE实验实现了质子驱动的等离子体尾波加速，预计2016年首次获得质子束，并计划开展为期3至4年的实验计划。
• 如今，激光等离子体加速器已被广泛认为是紧凑型、高亮度X射线源和第五代光源的领先候选技术，具有在医学、材料科学和超快科学中的应用潜力。