基于超快电子探针的等离子体尾场结构成像研究

The rapid development of plasma wakefield acceleration in the past decade has brought revolutionary changes for the application of future accelerators. For the development of plasma wakefield acceleration, the direct diagnosis of the field structures of plasma wakes is of fundamental importance. Since such structures move at nearly the speed of light, direct imaging of them poses special challenges. Recently, methods based on optical probing have made important progresses, and these methods can image the plasma density structure for weakly nonlinear wakefields under appropriate conditions. However, the intrinsic limitations of optical methods based on plasma index of refraction make it very hard to get clear image of highly nonlinear wake structures, and more importantly, they can not get direct information of the field structures, which are the most critical information for acceleration. Through 3D particle in cell (PIC) simulations and theoretical analysis, we found that ultrashort relativistic electron beams can be used to directly image the accelerating structures under appropriate conditions, and through numerical inversion, the accurate spatial distribution and amplitude of the accelerating fields can also be obtained. This project aims at systematically developing this new imaging method based on ultrafast electron probes for plasma wakefield structures through in-depth theoretical analysis and experimental studies.

近年来，基于等离子体尾场的加速研究发展迅猛，有望为未来加速器技术的发展及应用带来革命性的变化。在尾场加速的研究中，对以近光速运动的尾场加速结构及其演化进行直接探测具有重要意义。目前基于超快光学探针的诊断技术取得了重要进展，在适当的参数下能获得弱非线性尾场结构的密度信息。但限于光学方法的局限性，尚无法很好地解析高度非线性的尾场结构。更重要的是，光学方法不能直接提供对加速过程至关重要的加速场信息。通过三维粒子模拟和理论分析，我们发现使用超快相对论电子束作为探针在适当条件下可以直接对加速结构成像，而且通过对图像的反演可以准确获得加速场的空间分布和幅值。本项目旨在通过深入的理论模拟和实验研究，系统地发展基于超快电子探针的等离子尾场结构成像技术。通过该技术的运用，为诸多尾场加速物理过程的研究提供重要的实验信息，进而推动尾场加速技术的发展。

发展等离子体尾场的直接诊断技术，对于深入理解注入与加速结构演化等重要物理过程具有重要意义，同时也为优化等离子体尾场加速器的束流品质提供了重要工具。项目在国际上首次提出了飞秒相对论电子探针用于等离子体尾场结构诊断的新概念，并深入研究了电子束探针的理论模型和数值模拟验证，基于实验条件完成了实际探针电子束参数修正和非理想尾场的重建算法。在此基础上，在国际上首次利用激光等离子体加速器产生的超快电子探针在实验中获得了清晰的尾场图像并对尾场及其演化进行了定量测量。该实验结果发表于Physical Review Letters，并被选为编辑推荐文章。. 这一项目研究工作受到了国际同行的高度关注，多次在重要国际会议上作大会和邀请报告。在2016年国际先进加速器概念会议（AAC 2016，美国华盛顿）上该工作成为亚洲唯一入选的大会报告，并作为整个会议的亮点进展（Highlight）写入会议总结。参与项目研究工作的博士生张超杰在2017年获得了“John Dawson”博士论文奖。