用于尾场加速的超高亮度单/双束团机理研究

Free electron lasers (FELs), which are capable of providing high-power ultra-short coherent hard x-ray radiation, have witnessed an impressive development in recent decades. Nowadays, many developed countries have built up the short-wavelength free electron lasers. However, the hard x-ray free electron laser facilities worldwide have large scales limited by the gradient of the accelerator structures. In order to scale down the accelerator facility, beam driven plasma wakefield accelerations are explored extensively. Many great progresses have been achieved, but more challenges are waiting researchers to manage, and the generation of the high-quality driver beam is one of the key issues. Here the applicant and his collaborators propose to have a research on the mechanisms of the generation of ultra-bright single/double electron beam through the theory and simulation studies based on the Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser facility (SXFEL). Besides, the experiments on the generation of ultra-bright are prepared to be operated on SXFEL facility, which may establish foundation of beam driven plasma wakefield acceleration experiment and the 5th generation light source-XFELs driven by plasma accelerators.

近些年，作为“第四代光源”的自由电子激光（FEL）由于能够提供超高亮度、超短脉冲、全相干的硬X射线在国际上受到了广泛的关注和各国的大力推动。受到常规加速管加速梯度的限制，国际上硬X射线自由电子激光装置通常都规模宏大。为了减小硬X射线FEL装置的规模，基于束流驱动的等离子体加速器成为研究热点，而其中超高亮度的驱动束流则是其中最关键的技术之一。本项目结合国内外自由电子激光和等离子体加速器的研究前沿，通过理论和模拟研究，以自由电子激光直线加速器为平台，对超高亮度的单/双束团的产生、相空间操控等物理机制进行全面和深入的探索研究。同时，本项目将结合上海软X射线自由电子激光试验装置（SXFEL）开展模拟和实验研究，为实现束流驱动的等离子加速器、乃至未来的“第五代光源”——基于等离子体加速器的自由电子激光装置奠定基础。

受限于常规加速结构的加速梯度，包括自由电子激光装置和大型对撞机在内的大科学装置通常规模宏大，造价昂贵，因此如何大幅度提升加速梯度成为大科学装置小型化的关键。基于束流驱动的等离子体尾场加速由于可以将加速梯度提升至（GV/m），因此具有非常广阔的应用前景。自由电子激光装置直线加速器可以提供高品质束流，非常适合产生用于束流驱动等离子体尾场加速实验。.本项目依托上海软X射线自由电子激光装置，探索基于直线加速器产生满足等离子体尾场加速实验的驱动束流的可行性。首先对用于高变压比的非对称流强分布的高品质束流的产生进行了模拟研究，通过调节谐波腔的梯度和相位可以产生较为理想的非对称流强分布的束流，同时对该束流品质的维持，束流的聚焦等进行了研究。并基于SXFEL装置的性能对束流的稳定性进行了研究。基于该非对称束流进行了等离子体加速的模拟研究，结果表明，产生的非对称束流非常适合用于高变压比的等离子体尾场加速实验，束流的变压比可以达到4。.除了非对称束流，本项目还对双束团的产生进行了模拟研究。通过激光堆积和狭缝两种方法可以产生流强和间距可控的双束团。激光堆积的方案基于驱动激光的改造，在注入器中产生双束团并进行加速和压缩。狭缝的方案需要对第二级磁压缩进行改造，增加挡块和狭缝，对通过的束流进行切割和整形，以此产生双束团。.在项目的支持下，还对SXFEL装置直线加速器进行了改造，对非对称束流的产生和双束团的产生进行了实验研究。实验结果表明，通过调节谐波腔的梯度和相位，可以较为容易的产生非对称束流。同时对第二级磁压缩进行了改造，采用狭缝的方案可以方便的产生双束团。产生的非对称束流和双束团非常适合未来进行束流驱动等离子体尾场加速实验。.通过本项目的理论和实验研究，表明自由电子激光装置直线加速器非常适合产生用于等离子体尾场加速的电子束，为未来基于SXFEL装置进行等离子体加速实验的验证提供了坚实的研究基础。