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规避激光尾波场加速中的退相位与耗尽限制

DOI：10.1103/PhysRevX.9.031044 期刊：Physical Review X 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 紧凑型电子加速器对下一代同步辐射光源、自由电子激光器以及TeV能区前沿先进加速器至关重要。激光等离子体驱动加速器（LPA）的最新进展已将其电子能量提升至多GeV量级，并改善了插入元件的束流稳定性。然而，等离子体波的亚光速群速度限制了单级LPA加速器可达到的最终电子能量（即相位失配极限）。本研究首次提出一种激光等离子体驱动电子加速方案，可实现恒定加速且电子不会超越尾波场。该方案采用两个斜入射超短激光脉冲在圆柱镜线焦点处的重叠区域作为激光驱动源，通过倾斜脉冲前沿设计使其与加速电子轨迹精确重合。这种激光横向耦合等离子体的几何结构使重叠区域能以真空光速移动，同时等离子体中的激光场持续获得后续脉冲部分的能量补充。该方案能有效抑制寄生自注入、自相位调制、驱动激光耗散及沿电子束路径的离焦效应，适用于宽范围气体靶等离子体密度。该方法无需多级激光加速器即可实现10GeV以上电子能量扩展，有望达到TeV量级电子束流。
作者： Alexander Debus，Richard Pausch，Axel Huebl，Klaus Steiniger，René Widera，Thomas E. Cowan，Ulrich Schramm，Michael Bussmann
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究一种新型激光等离子体驱动电子加速器概念，该概念可在电子不超越尾场的情况下实现持续加速，旨在将电子能量提升至10 GeV以上，甚至可能达到TeV量级电子束，且无需多级激光加速器串联。

研究成果

TWEAC方法缓解了激光驱动等离子体加速器的两大限制：相位失谐和能量耗尽极限，从而使得单个加速阶段在长度上能够无限延伸。这种可扩展性仅受限于可用激光脉冲能量以及维持长距离加速器中连续激光束重叠的技术能力。该方法为将电子能量提升至超过10 GeV、甚至可能达到TeV量级电子束开辟了道路，而无需采用多级激光加速器。

研究不足

该研究基于模拟实验，实际实施可能面临激光脉冲精确对齐、长距离维持所需等离子体条件等挑战。能否扩展至TeV能量级别取决于高功率激光系统的可用性。

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