等离子体加速器级联中束流相空间匹配传输研究

Plasma accelerator has attracted much attention due to its ultrahigh accelerating gradient and unique beam parameters. Staging of plasma accelerators can help to achieve high quality, high energy electron beam for future applications in light sources and colliders. However, due to ultrahigh focusing gradient in the plasma waves compared to traditional accelerator components, seriously phase space mismatch may induce catastrophic emittance growth if a finite energy spread is present. Therefore beam quality conserving matching schemes between stages is very important for the development of plasma accelerator. The nearly perfect phase space matching can be achieved combined the longitudinal plasma structure and the transverse linear force. The experiment of phase space matching will be verified by using plasma structure. Based on the developed study on space phase matching including theoretical analysis, particle-in-cell simulations and preliminary experiments, we have confidence in verifying nearly perfect space phase matching in staging of plasma accelerators.

近年来等离子体加速器发展迅猛，以超高加速梯度与独特束流参数受到普遍关注。对于高能高品质加速而言，等离子体加速器级联技术至关重要。由于等离子体尾场的横向聚焦力远高于传统聚焦系统，级联过程中束斑尺寸的大幅度变化和较大的能散会导致束流的非匹配传输，引起发射度增长以及俘获效率降低等负面效应。因此，如何有效实现等离子体加速器级联过程中束流的匹配传输是等离子体加速器技术研究的关键问题。针对该问题，我们开展了深入研究并提出了利用纵向等离子体结构与非线性尾场线性聚焦力相结合的理论方案实现束流相空间的近完美匹配传输（PRL 2016），获得加速器领域的高度重视。本项目致力于利用等离子体纵向结构的产生技术，通过实验系统地研究等离子体加速器级联中束流的传输过程，有望通过实现上述理论方案，在国际上率先验证束流相空间近完美匹配传输的可行性。

束流相空间匹配传输是等离子体加速器中一个重要物理问题，也是高效率级联加速研究和高品质束流产生中亟需解决的一项关键技术。国际上虽有一些理论模拟和实验研究的初步尝试，但尚未从根本上解决等离子体加速器中束流的相空间匹配，极低的耦合效率无法真正应用于高能粒子加速器。项目从束流相空间操控和匹配传输出发，通过系统的理论分析、数值模拟和实验验证，利用45MeV光阴极微波电子加速器和与之同步的30TW超短超强激光系统，验证了从光阴极注入器到等离子体加速器的高效率外注入加速实验，实现了~100%的俘获效率。同时还针对高品质束流产生，利用束流相空间操控和测量，验证了基于均匀等离子体结构的去能量啁啾方案，可有效降低束流能散，实现10倍的能量减低因子。在此基础上项目还提出了基于中空等离子体通道的去能量啁啾方案，可在维持超低发射度条件下进一步降低束流能散，产生超低发射度的超高品质束流。该方案能很好地应用于正电子加速的去能量啁啾，为等离子体加速器在未来正负电子对撞机中的应用提供了关键技术。除了线性能散的消除，项目还通过束流相空间的精确测量实现了基于均匀等离子体通道的束流高阶能散补偿，可实现束流能散的线性化。.鉴于项目研究所取得的成果，项目负责人多次应邀在国际学术会议做大会报告或邀请报告，培养的博士研究生获得了国内外重要博士论文奖项（IEEE Particle Accelerator Science and Technology Doctoral Student Award和蔡诗东等离子体物理奖）。