激光尾波场加速产生高品质电子束及其与高Z靶产生正电子特性研究

The stable and tunable energetic electron beam has been obtained from laser wakefield acceleration.Such high quality energetic electron beam has created anticipation of realizing a laser-driven electron accelerator, which can be used for developing femtosecond x-ray or gamma-ray sources and a laser-based electron-positron collider. In this project, we will study the characteristics of high quality energetic electron beam from LWFA and positron beam produced by LWFA electron beam striking on high-Z target.They will be studied by using particle simulation codes, Monte Carlo simulation codes and experiments. The goal of this project is to developing the theoretical methods and experimental methods for studing LWFA and positron beam from LWFA electron beam striking on high-Z target. We will develop a QED-PIC code including pair production. We will also develop experiment facility and experimental methods.The novel electron injection schemes will be studied. Other schemes for producing high charge energetic electron beam will be studied so that they can produce more positrons. The characteristics of LWFA electron beam and positron beam will be studied carefully both by using theoretical and experimental methods.

激光尾波场加速已经可以产生稳定、能量可调的高能电子束，为台面X/γ辐射源、正负电子对产生等打开了应用之门。本项目针对激光尾波场加速中高品质电子束产生及其与高Z靶相互作用产生正电子的特点和规律开展研究，以粒子模拟和蒙特卡洛模拟为主要研究工具，结合解析和实验方法进行研究。研究目标是建立激光尾波场电子束产生正电子的理论和实验研究方法，在此基础上研究激光尾波场加速所得电子束与物质相互作用产生正电子的特点和规律，为激光尾波场电子加速器的应用开辟新的方向。主要研究内容包括：建立和完善激光尾波场高能电子产生正电子的理论和数值模型；在粒子模拟程序中加入正电子产生过程，建立能够模拟激光尾波场加速和正电子产生的粒子模拟程序；研究激光尾波场中弓形波注入等注入机制，探索新型、高效的电子注入机制和获得大电荷量、高品质电子束的激光尾波场加速方案；通过理论和实验方法研究激光尾波场电子束产生正电子的特点和规律等。

本项目针对激光尾波场加速中高品质电子束产生及其与高Z靶相互作用产生正电子的特点和规律开展研究，研究目标是建立激光尾波场电子束产生正电子的理论和实验研究方法，在此基础上研究激光尾波场加速所得电子束与物质相互作用产生正电子的特点和规律，为激光尾波场电子加速器的应用开辟新的方向。主要研究内容包括：建立和完善激光尾波场高能电子产生正电子的理论和数值模型；在粒子模拟程序中加入正电子产生过程，建立能够模拟激光尾波场加速和正电子产生的粒子模拟程序；研究激光尾波场中弓形波注入等注入机制，探索新型、高效的电子注入机制和获得大电荷量、高品质电子束的激光尾波场加速方案；通过理论和实验方法研究激光尾波场电子束产生正电子的特点和规律等。. 本项目按照既定的研究目标和研究内容开展了系统深入的研究，完成了建立能够模拟激光尾波场加速和正电子产生的粒子模拟程序（QED-PIC），探索新型、高效的电子注入机制和获得大电荷量、高品质电子束和其他能获得大电荷量高能电子束的物理方案；在理论上提出了多种增强正电子束产额的理论方案并且获得了粒子模拟结果的验证；建立激光尾波场电子加速和正电子产生的实验研究平台，发展和丰富相关实验方法；首次在国际上成功通过实验实现离化截断注入方式产生GeV的尾波场电子，在国际上首次在实验上获得准单能的正电子束。系列研究成果达到了国际先进水平。. 研究成果以论文形式在发表在国际高水平期刊上。在申请书中，我们计划“在物理学类重要期刊上发表论文10-15篇，其中在国际重要学术刊物上发表5-10篇高质量的论文，培养硕士3-6名，培养博士1-3名，培养博士后1名。”截止目前，依托本项目共在国际重要学术期刊发表学术论文23篇，其中SCI检索论文21篇，培养硕士5名，培养博士2名，博士后1名，专利2项。. 本项目全面完成了本项目的理论和实验研究内容，所有指标均达到或者高于预期指标，达到了预期目标。