质子束驱动的等离子体尾波场加速粒子研究

In the path towards next generation of big particle accelerator, due to the material breakdown limit, a promising approach is to exploit the properties of plasmas. However, in most of the pioneering experiments the energy gain was limited by the energy carried by the driver. In the context, high energetic proton beams, due to their large still mass, are most promising to accelerate witness particles to extremely high energy. This proposal, based on our pioneering work, is going to study some important issues in the proton-driven wakefield acceleration: 1. Positively charged particle acceleration in wakefields driven by a self-modulated proton bunch; 2. The influence of density distribution of plasma channel and particle injection on the emittance of accelerated beam; 3. Radiation damping in the acceleration to high energy level and its effects on beam emittance. The research on these subjects will not only provide theoretic basis for future experiment, but also open a pathway towards a revolutionary plasma-based lepton colliders.

在致力于建造更高能量的粒子加速器的不懈努力过程中，传统材料过低的损坏阈值迫使人们离开传统射频加速器在等离子体加速的理论框架内寻求解决途径；而又受限于目前的激光技术，激光束所能够携带的总能量有限，因而人们又提出采用更为强大的高能粒子束来驱动等离子体尾波场的方案。质子束由于其静止质量大，因而最适合用作驱动源将粒子加速到高能量，拥有其他加速机制无法替代的优势。本项目将结合我们现有的工作基础，研究质子束驱动尾场加速方案中的一些重要问题，包括：1.自调制质子束激发的等离子体尾波场加速带正电粒子的方案。2.等离子体通道的密度参数和注入方法对粒子束品质的影响。3.高能情况下的辐射阻尼及其对粒子束品质和能量转化效率的影响。开展这一方面的专门研究不仅有利于对今后的实验提供理论依据和指导，而且有望开启一条通往基于等离子体的TeV量级正负电子对撞机的新道路，这将对基础物理的研究具有革命性的推动作用。

质子束驱动尾波场加速粒子的研究是近十年才出现的等离子体加速的新兴领域，其优势在于能够利用世界上已经存在的大型质子加速器将轻子在单级加速中加速到TeV量级。项目负责人博士期间的工作提出了利用等离子体通道的方法调节非线性尾波场的（横向）加速结构的想法，从而使正电子得到加速并且保持较小的发射度。.在本项目中，我们对等离子体通道在粒子加速中的应用进行了更加深入的探索。我们研究了激光入射进入等离子体通道靶时，通道的波导效应对光场进行重要的调制，从而使光以波导模式的形式与进入通道中的自由电子发生相互作用。电子在横磁膜的纵向电场作用下获得加速到数百MeV，于此同时，由于收到横向不对称的电磁场作用，电子的运动轨迹在横向受到扰动，从而发出同步辐射的X光。.我们对波导模的形成进行了理论解析，并根据结果分别推导出了电子加速截止能量以及X射线的临界频率的定标公式。此外，我们还利用三维PIC模拟系统地研究了电子束以及X射线的角分布，光子产额以及亮度随激光和等离子体参数的演化。这些结果为将来基于这一方案建造台式化的高电荷量电子源及高亮度X射线源的实验工作提供了重要的理论依据和指导。.最后，我们还研究了掠入射的激光和固体靶相互作用的情况，着重研究了表面电子的产生以及传输，在考虑高对比度和低对比度极光的两种清新下，分别研究了相对论磁重联和电子涡旋漂移所导致的质子加速。我们的结果在实验室天体物理以及基于高能质子束的癌症治疗等领域具有潜在的应用。