等离子体高能加速器关键物理问题的大规模并行粒子模拟研究

本课题计划充分利用国内外丰富的大规模高性能并行计算资源，使用国际上发展较为完善的并行等离子体模拟软件，针对与高能量高品质的等离子体尾场加速器密切相关的若干重要物理问题进行全尺度的三维粒子模拟研究和理论分析。研究内容分四个主要部分：一，与等离子加速著名研究团队UCLA合作开发和应用大规模并行等离子体粒子模拟软件，并完成该软件在在国内超算中心的移植和改进；二，针对世界范围内大规模装置的参数进行全尺度三维模拟，并为国内外合作者提供实验的模拟支持；三，面向自由电子激光和对撞机的高能激光尾场加速器（1-100GeV）的关键物理问题的模拟研究与理论分析，重点是研究如何产生更稳定的加速结构以及探索高品质的电子注入方法；四，面向自由电子激光和高能对撞机的高能粒子束尾场加速器（GeV-TeV）的关键物理问题的模拟研究与理论分析，重点是研究稳定的高变压比加速、高品质正电子加速以及粒子束在等离子体中的自调制。

本项目致力于充分利用国内外高性能并行计算资源，与国际顶尖等离子体粒子模拟团队深度合作，开发适用于高能量高品质等离子体尾波加速模拟研究的模拟工具，开展相关重要物理问题的粒子模拟与理论研究，并为国际国内重要相关实验提供理论模拟支持。项目开展4年来取得了可喜成绩：..研究成果方面获得一系列重要突破：.1.深入研究了如何高效实现高能（GeV-TeV）高品质尾波加速的三维粒子模拟。在首次实现高能激光尾波加速在洛伦兹运动参考系中模拟基础上（Nature Physics 2010），深入研究了该方法数值噪声的起源（CPC 2014），提出并实现使用谱求解器（CPC 2015-1）或混合求解器（CPC 2015-2）消除噪声的方法，将GeV-TeV高品质尾波加速模拟所需计算量降低3-6个数量级，为现有计算条件下模拟高能尾波加速提供了有效工具。.2.在本人理论工作基础上（PRL 06，08），为在SLAC的FACET 大型平台上开展的高能尾波加速研究提供了有力的实验设计和模拟支持，通过实验证实了高效率、低能散尾波电子加速的可行性，被Nature杂志以封面形式报道（2014）。通过对正电子驱动尾波的系统模拟，从原理上解释了实验观测到的高效率低能散正电子加速现象，相关实验与模拟结果发表在Nature杂志上（2015）。.3.深入研究了基于电离注入的高品质电子注入过程，发展了相应的相空间动力学理论（PRL 2014），在此基础上提出了两种高品质注入新方案有望将现有电子束流亮度提升3-4个数量级（PRL 2013，PRSTAB 2014 编辑推荐），分别被SLAC和BNL大型实验平台采纳为未来重点研究课题并写入项目升级申请，项目负责人应邀作为该类研究负责人。..人才培养方面，鲁巍入选首批青年千人计划，获基金委杰出青年基金支持（2014），获国际纯粹与应用物理联合会IUPAP青年科学家奖（2014），蔡诗东等离子体物理指导教师奖（2015）等奖项；通过青年千人引进台湾白植豪加入研究团队；博士徐新路获中国加速器学会希望杯青年学者奖（2014），蔡诗东等离子体物理奖（2015），清华大学优秀博士论文一等奖（2015）等奖励；项目骨干华剑飞获中国加速器学会希望杯青年学者奖（2014）。..国际交流方面，重要国际会议大会和邀请报告5次，5次担任重要国际会议程序或顾问委员会成员。