【优博微展2017】李飞：等离子体加速中超高品质束流产生机制研究

李飞：2017年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

等离子体加速中超高品质束流产生机制研究

Generating Ultra-high Quality Electron Beams in Plasma-based Acceleration

作    者：李飞

指导教师：鲁巍

培养院系：工程物理系             

学    科：核科学与技术

读博感言：博观约取，厚积薄发。

研究背景/选题意义/研究价值

一百多年来，加速器一直是人们从事科学研究的重要工具，在众多科研领域发挥了不可或缺的作用。作为新加速器原理与激光等离子体物理的交叉前沿，等离子体加速器以加速梯度高、时空结构紧凑为主要优势，在近十几年中获得了重要进展，有望为激光和加速器的应用带来革命性的变化。对等离子体加速研究而言，能否成为真正的加速器第四次革命，其关键在于能否有效地产生超越现有加速器技术水平的高品质束流，而这一点已成为国际等离子体加速研究界的共识。论文针对如何在等离子体加速中可控的产生品质远优于现有技术的高品质束流这一关键问题，开展了深入系统的研究。

主要研究内容

超高品质注入方法研究：（1）论文提出并通过三维 PIC 模拟验证了一种全新的高品质电离注入方法，该方法通过两束激光脉冲在束流驱动的尾波场中横向对撞，实现了超低发射度（小于10 nm）、超高亮度（大于1019A m-2 rad-2）、低能散（约10 keV 切片能散）束流的注入。对注入过程中超低热发射度产生以及发射度演化过程开展了深入详细的分析。（2）发现了在blowout regime 中采用密度梯度注入产生超高品质束流的机制。在特定的参数条件下该方法可以产生超低发射度（数十nm rad级）、超高亮度（大于1019A m-2 rad-2）、高流强（大于10 kA）的束流。建立了相应的三维动力学模型，深入分析了注入粒子的横向运动，建立了驱动束强度、等离子体结构与注入束流品质的关系，揭示了超高品质束流产生的物理原理。在此基础上首次提出了级联注入的概念，结合高密度等离子体微结构进一步大幅度提升束流品质（发射度低至nm rad、亮度超过1022A m-2 rad-2）。远超现有加速器技术所能达到的水平，以上两点工作所展示的束流亮度比现有加速器技术高出3-6个数量级，一旦在实验上获得验证，将对未来光源与对撞机的发展产生重要影响。目前这两个工作已被采纳为SLAC大型先进加速研究装置FACET-II的重要研究课题写入装置升级申请并获得批准。

高精度低噪声模拟算法研究：高分辨、低噪声的大规模三维并行粒子模拟是高品质注入过程研究的基本工具，对算法精度与可靠性有很高要求。论文提出并实现了一种高效高并行度的低噪声数值模拟算法，有效抑制了现有PIC模拟中的数值切伦科夫噪声，使尾波加速中高品质注入的准确模拟成为可能。

激光对撞电离注入方案示意图

超低发射度测量研究：超低发射度测量是当前加速器研究的前沿难题。现有方法尚无低于0.1微米发射度的实验报道，而且各种方法在超低发射度测量方面的适用性和可靠性也缺乏系统论证。论文针对高梯度永磁四极铁组这一方法开展了深入细致的误差与可靠度分析，确认了该方法具有准确测量低于0.1微米发射度的能力，并设计加工了具有测量50nm发射度能力的磁铁组，为下一步尾波加速超低发射度测量实验打好了基础。

级联密度调变注入方案示意图

主要创新点

1.研究了电离注入与等离子体密度调变注入两类方法，提出了能够有效产生超高品质束流的新方案。该方案可以产生具有超低发射度（<10 nm）的低能散（10 keV~MeV 切片能散）超高亮度（1019~1022 A m-2 rad-2，比现有技术高约3~6个量级）束流。

2.发展了一种适用于高效模拟高品质注入与加速的粒子模拟算法，该算法可以有效消除存在PIC模拟中的数值切伦科夫不稳定性，为准确模拟尾波加速高品质注入和加速过程提供了有力工具。

3.针对高梯度永磁四极铁组方法，开展了系统的误差和可靠性分析，确认了该方法在超低发射度（<0.1 um）测量方面的潜力。

代表性学术发表

1.F. Li, J. F. Hua, X. L. Xu, C. J. Zhang, L. X. Yan, Y. C. Du, W. H. Huang, H. B. Chen, C. X. Tang, W. Lu, C. Joshi, W. B. Mori and Y. Q. Gu. Generating High-Brightness Electron Beams via Ionization Injection by Transverse Colliding Lasers in a Plasma-Wakefield Accelerator, Physical Review Letters, 111(1), 015003 (2013).

2.F. Li, C. J. Zhang, Y. Wan, Y. P. Wu, X. L. Xu, J. F. Hua, C. H. Pai, W. Lu, Y. Q. Gu,W. B. Mori and C. Joshi. Low-energy-spread laser wakefieldacceleration using ionization injection with a tightly focused laser in a mismatched plasma channel, Plasma Physics and Controlled Fusion 58(3), 034004 (2016).

3.F. Li, P. Yu, X. Xu, F. Fiuza, V. K. Decyk, T. Dalichaouch, A. Davidson, A. Tableman, W. An, F. S. Tsung, R. A. Fonseca, W. Lu and W. B. Mori. Controlling the numerical Cerenkov instability in PIC simulations using a customized finite difference Maxwell solver and a local FFT based current correction, Computer Physics Communications 214, 6-17 (2017).

作者：李飞

供图：李飞

编辑：清华大学研究生院  周明坤  严颖巧