文摘

时间短的优点和极端的亮度,激光质子加速器(lpa)显示巨大的潜力在许多领域工业、医学和研究应用。然而,当前laser-driven质子光束的质量,如广泛的能量传播和大发散角,仍然是一个挑战。我们用数值模拟来研究等离子体中的传播这样的质子束。结果显示群将激发韦克菲尔德和调节本身。尽管少量的粒子的一些不能被韦克菲尔德,总能量减少传播。此外,同时减少能量纵向传播,韦克菲尔德也捏住梁的横向方向。群的空间电荷效应是完全抵消韦克菲尔德,和群的横向动量减少一些等离子体中的传输。laser-driven离子光束,我们的研究提供了一个新奇的想法关于这些梁的优化。

1。介绍

在过去的十年中,plasma-based粒子加速器由高强度超短激光脉冲(1- - - - - -3]或粒子束显示伟大的承诺,主要是因为很大的电场加速,他们可以支持,一千倍大于传统加速器,使实验室规模的实现应用程序从高能物理ultrabright光源。

对于质子加速,目标正常鞘加速度(TNSA) [4,5),辐射压力加速度(战)6,7)和突破加力燃烧室(BOA) [8)是使用最广泛的机制。尽管能量转移效率相对较低,TNSA被认为是最健壮和稳定机制,其中离子(尤其是质子)从表面污染层加速电荷分离的鞘。以来几个实验证明加速度大,由此产生的光束质量仍远先进的传统加速器:由于电子的快速扩散层,库仑爆炸,和多个不稳定,TNSA离子光束具有指数衰减的能谱和一个大发散角(9),因此,其中一个主要目标是控制光束的能量散度和形状。

提出了各种beamlines几家机构,例如,光束线GSI亥姆霍兹中心(10,11在布拉格,琳beamline安装(12)和北京大学CLAPA平台(13,14]。这些beamlines旨在实现高电流密度和离子光束的传播与低能量传播和可靠性、可用性、可维护性和检查。

与这些beamlines相比,这是由传统加速器的元素,比如永磁四极透镜螺线管磁体,激光触发微透镜,最近的实验表明,当电子束在等离子体传播元素,等离子韦克菲尔德将调整电子束的纵向相空间,减少传播的能量。例如,FLASHForward等离子体加速器设施谜底(15]表明beam-driven等离子加速,如果一个电子群作为一个司机,而超短见证一群人正能量唧唧声背后,证人的纵向相空间群将在加速旋转,导致一个超低能量分散,甚至低于血浆入口处传播。另一个实验在SPARC实验室测试设备(16]表明,效率高、低能量传播可以同时实现等离子韦克菲尔德的强大梁加载加速束时精心定制的当前配置文件。在上面两个实验中,有两束:驱动的群创建韦克菲尔德,而证人的能量传播一些减少这些韦克菲尔德。另一个实验表明,即使对一个电子群与负啁啾通过等离子体,它的韦克菲尔德将操纵沿梁纵向相空间(LPS)本身,并减少总能量传播(17,18]。

这些实验主要关注电子束。质子加速的质子束流有典型的指数衰减谱和正能量唧唧喳喳。在本文中,我们采用二维particle-in-cell (PIC)算法(19,20.]在等离子体研究这种光束的传播。等离子体在纵向韦克菲尔德能量传播的影响,以及一个质子束的横向压缩调查。本文的主要内容如下:部分2介绍了物理模型用于我们的模拟。节3,并给出了仿真结果和讨论。最后,结论部分4。

2。材料和方法

物理模型图所示1。质子束传播从左到右的氢等离子体通道。假设等离子体碰撞少、无极性和稳定。

通常情况下,产生的质子束LPA具有指数衰减能量分布的特点。粒子数谱 遵循公式: (5]。一些需要选择提前部门磁铁和狭缝:当梁广义能量分散传递部门磁铁(x(水平)方向),质子能量分散在不同x轴。这时,一个狭缝用来选择预期的一些能量。在图2(一个),蓝线产生的射线的能谱LPA和红色线是我们选择使用作为模拟初始群。最初的一些具有指数衰减的能谱,群中粒子的能量是44.75兆电子伏到45.25兆电子伏。此外,由于激光加速器产生的群的持续时间通常很短(几ps,质子的纵向位置不同的能量基本上是相同的),后纵向相空间的传播能量分布主要取决于给定的距离。兆电子伏的纵向位置44.75质子质子45.25伏,基本上是相同的,当他们产生的激光加速器。后传播60.3 ns(约5.4米)的传播,他们将由28毫米(梁的长度用于仿真)由于不同的速度。能量和速度之间的关系不是线性的,但是当质子在44.75兆电子伏,45.25兆电子伏之间,能量和速度之间的关系是非常接近线性的,所以纵向相空间的初始群如图2 (b)。由于空间电荷效应,干扰被添加到初始群。最初的一些用于仿真如图2 (c)。

韦克菲尔德的波长 ,在哪里 ,我们选择一些长度 ,韦克菲尔德波长略小于,群均方根半径= 0.36毫米。群是最初一个高斯分布(图3(一个))。初始群的横向相空间图所示3 (b)和大小(Rms) = 0.94 mrad。激光加速器产生一系列与粒子之间的数和每兆电子伏(能量的粒子数减少指数增长)(21,22]。使调制光束的等离子体更加明显,我们选择了电流强度高于实验。最初的梁用于模拟包含 质子和堆密度 。我们选择等离子体密度根据群密度, 。等离子体密度分布如图3 (c)等离子体温度 。

软件类别(23代码是用来模拟质子束在等离子体的传播。所有模拟都是由一个2 d3v PIC算法。模拟区域的长度是0.338米,宽度0.024米。7200个网格z方向和512网格y使用方向。此外,开放边界条件采用两种z和y方向。空间的步骤 ,在哪里德拜长度的等离子体。的时间步 。

3所示。结果与讨论

图4有限合伙人的时间演化的质子束穿过等离子体。数据4(一)-4(d)结果当群将在等离子体中传播的距离0,7.2,14.4,和21.6厘米。实线是纵向电场的轴在一些位置。数据4(e) -4(h)是相应的电子分布的等离子体。通过等离子体时,质子的群会扰乱电子分布的等离子体,并创建一个韦克菲尔德。韦克菲尔德将影响后续的质子群。正能量的一群唧唧喳喳,韦克菲尔德减少了能量传播由于上半年的质子群失去能量和创建韦克菲尔德,而后者一半的质子获得能量。因此,减少总能量的传播。如数据所示4(c)和4(d),质子群的尾巴在纵向电场加速,而质子在前减速的影响。指出,尽管韦克菲尔德可以调节能量的传播,还有一个小加速电场的群。这加速电场的空间电荷效应是由群:群背后的韦克菲尔德只存在;因此,质子的负责人群不能受到影响。因此,这些质子的能量将通过库仑斥力仍有分歧。

图5的时间演化的能谱。图5(一个)的初始能量谱的指数衰减的能量分布(粒子数的指数衰减不明显是因为小能量传播)。最初的能量分散是0.5伏(44.75兆电子伏到45.25兆电子伏)。群通过等离子体,尽管一些质子的头不能调节的,其余的质子的能量开始集中精神。一些经过等离子体时,超过50%的质子能量的范围从44.85到44.95(兆电子伏兆电子伏。也就是说,一半质子的能量传播集中到0.2%等离子灯,如图5 (d)。

的控制横向发散的是另一个挑战。数据6(一)和6(b)的分布和横向相空间群的群经过等离子体,而数据6(c)和6(d)的比较群通过真空管道在相同的距离。相比之下,这些在真空中,等离子体的横向分布的位置和动量的减少。特别是,动量分布显著减少。这是由于质子的沉重。当通过等离子体通道只有21.6厘米,韦克菲尔德显著改变其势头,但它尚未显著影响其位置分布。

数据的另一个现象6(一)和6(b)是横向压缩后的一些更为明显。为了进一步调查,相应的纵向电场E_z,横向电场E_y以及磁场B_x如数据所示7(一)- - - - - -7 (c),分别。图7(一)纵向电场的分布。正如上面所讨论的,它是一个周期性和一群人。的群在减速,而其余的加速度场。图7 (b)横向电场的分布E_y。横向分散注意力和焦点区域交替出现。群的散焦地区是在后方的重点地区。此外,总群周围的磁场,如图7 (c)。上半年的质子群,虽然他们在横向发散电场,他们掐的磁场在同一时间。因此,等离子体仍限制其横向发散。后面的质子在横向聚焦电场和磁场的同时,横向压缩效应是更加明显。

横向的包络曲线的位置和动量与纵向位置如图8。蓝线代表一些等离子体中传播的结果,而红线是由于在真空中。等离子体可以减少横向发散的。指出,一些只停留在等离子体2.4 ns(传播距离21.6厘米),因此,等离子体不能压缩的横向尺寸群在这么短的时间内。然而,等离子体的韦克菲尔德已显著改变的横向动量。如图8(b),最后横动量的低于之前进入等离子体,这意味着韦克菲尔德不仅完全中和库仑斥力也开始捏。

4所示。结论

在本文中,我们使用PIC模拟研究传播laser-driven质子束的等离子体。我们的研究结果表明,laser-driven质子束,其中的特点是大能量分散和发散角,可以调制等离子韦克菲尔德。群将激发韦克菲尔德和调节本身。尽管少量的粒子在一些不能被调制的韦克菲尔德,总能量分布集中。特别是,质子束能量44.75兆电子伏,45.25兆电子伏之间,超过一半的质子的能量集中在44.85和44.95之间的等离子调制。此外,同时减少能量纵向传播,韦克菲尔德也捏住梁的横向方向。群的空间电荷效应是完全抵消韦克菲尔德,和群的横向动量减少一些等离子体中的传输。laser-driven质子束的束的特点是大能量分散和发散角,这是很难优化与传统加速器元素。摘要为解决这个问题提供了一个新奇的想法。

数据可用性

源代码和数据支持本研究的发现可以要求从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号11775282和11775282),青年创新促进会CAS(批准号2018452)和大型研究基础设施“中国倡议加速器驱动系统”(批准号2017-000052-75-01-000590)。