强流电子束驱动的超高亮度尾波加速研究

Plasma wakefield accelerator (PWFA) driven by ultrashort high current electron beams has become one of the leading candidates for the next generation high energy accelerator due to its great advantages on high efficiency, high quality and high gradient acceleration (See Nature cover 2014). Many of the leading accelerator labs around the world (SLAC, BNL, CERN, DESY etc.) currently are paying great attention and resources to this research area. This project is aiming at transforming the current Tsinghua facility (the Linac and laser) into a world leading facility for the key physics study (stability, efficiency, low energy spread, high current, low emmitance, high brightness etc) of PWFA, with a focus on extremely bright electron beam generation. For example, one of the schemes recently proposed by Tsinghua team may be able to boost the brightness of current electron beams by three order of magnitude, therefore can have great impact on the development of future light sources and colliders. This scheme can be tested at Tsinghua facility for the first time before SLAC and BNL, and both institutes have plans to test this idea on their future upgraded facilities.

作为发展迅猛的超高梯度加速新技术，强流电子束驱动的等离子体尾波加速因其高效率与高品质等突出优点（Nature封面 2014，SLAC与清华等合作 ），获得了SLAC、BNL、CERN、DESY等实验室高度重视，成为下一代高能加速器的重要选项。本项目致力于将清华大学超短强流电子束与超短超强激光系统改造成国际领先的研究平台，针对电子束驱动超高品质尾波加速的核心物理问题（高稳定性、高效率、低能散、高流强、超低发射度、超高亮度等）开展深入研究和广泛的国际合作，以期获得具有引领该领域发展的重大成果。其中申请人提出的超高亮度电子束生成新方案（PRL 2013，2014）可将电子束亮度提升3个量级，一旦实现将对光源和对撞机研究产生重大影响。该方案已被SLAC采纳为重要课题并写入装置升级申请，而清华平台有望率先验证该方案。申请人是尾波加速国际公认的领军人物，2014年获IUPAP青年科学家奖。

近年来强流带电粒子束驱动等离子体尾波加速器研究发展迅猛，成为新型加速器研究的一个重要热点领域，目前国际主要大型加速器实验室（CERN、SLAC、DESY、BNL、INFN）都积极开展相关研究。本项目致力于在清华已有45MeV小规模电子加速器与30TW超短超强激光系统的基础上，打造具有独特研究特色的束流驱动尾波加速研究平台，并针对束流驱动尾波加速的关键物理问题，系统开展理论模拟与实验研究。经五年努力，我们建设了独特的束流驱动尾波加速研究平台，并开展了一系列国际领先的实验研究：包括首次实现高效率外注入尾波加速（Nature Physics 2021接受）、首次提出并实现自尾波场去能散至0.1%水平（PRL2019）、首次提出并实现尾波场结构超快电子快照（PRL2017编辑推荐）、首次提出并实现等离子体结构中光子减速产生中红外脉冲（Nature Photonics 2018封面，Nature Communications 2020）。同时，我们致力于系统的发展高品质尾波加速器的关键物理，特别是在超高亮度束流产生、尾波加速器级联理论方面有一系列重要研究成果（PRL2016）。项目负责人多次代表国际和亚洲同行在本领域最重要的国际会议（AAC、EAAC、FLS等）上综述相关研究进展，项目执行期间获得教育部长江特聘、中组部万人计划领军等人才计划支持。项目负责人在2014年获得IUPAP青年科学家奖之后，陆续获得首届亚太物理联合会等离子体物理青年科学家奖（2016），2019年首届蔡诗东等离子体物理杰出贡献奖以及2020年度科学探索奖等奖项。项目培养博士生多次获国际国内重要论文奖项（其中两位获得激光等离子体加速领域John Dawson论文奖和全球华人物理与天文学会OPCA杰出博士论文奖），毕业后在国际知名研究机构继续从事相关研究并获得国际同行高度认可。此外在本项目支持下，依托国家级平台，推动两个重要研究项目的开展：与上海高等研究院（上海光源）合作，在十二五重大基础设施软X射线自由电子激光装置基础上建设了世界领先的研究平台，推动我国基于束流驱动尾波加速器的第五代先进光源研究；与中科院高能物理研究所合作，提出了基于束流驱动尾波加速的新型高品质正负电子加速器方案作为高能环形正负电子对撞机的高能注入器，获得广泛国际关注，推动我国基于束流驱动尾波加速器的未来对撞机技术研究。