等离子体尾波场加速器中正电子束加载与非线性喷注机制的突破性研究

等离子体尾波场加速器(PWFA)在电子加速领域取得显著进展，但正电子加速仍面临挑战。本研究创新性地提出在束驱动喷注(blowout)区后端加载高强度正电子束，通过诱导轴上电子细丝形成，实现自洽聚焦场和平坦化纵向尾波，最终获得能量转移效率>20%、能量展宽~1%、归一化发射度~1 mm·mrad的高品质正电子束加速。该成果为未来紧凑型正负电子对撞机提供了新方案。

　　

在追求高能粒子物理研究的道路上，等离子体尾波场加速器(PWFA)因其超高加速梯度而备受瞩目。传统射频加速器受限于击穿阈值，而等离子体加速器能提供高出几个数量级的加速梯度。尽管电子束在非线性喷注(blowout)区已实现50 GeV/m的加速梯度、20%能量转移效率和1%能量展宽，但正电子束的加速却始终面临重大挑战——正电子需要同时满足加速和聚焦条件的区域极其有限，这严重制约了未来正负电子对撞机的发展。

为解决这一难题，研究人员创新性地提出在束驱动喷注区后端加载高强度正电子束的新方案。通过三维准静态粒子模拟(3D quasi-static PIC)和理论建模，发现正电子束能自洽地诱导轴上电子细丝形成，这些细丝不仅提供必要的聚焦力，还与喷注鞘层等离子体电子相互作用，实现纵向尾波场的平坦化。

关键技术方法包括：1) 使用准静态三维粒子模拟代码QuickPIC进行高保真模拟；2) 建立首个非线性正电子束加载理论模型；3) 采用迭代算法优化束流剖面；4) 在7.8×10¹⁵ cm^-3等离子体密度下进行参数优化。

【正电子束加载诱导的轴上电子细丝】

研究发现，在未加载情况下，等离子体电子仅在第一个气泡末端形成狭窄的聚焦区。而加载正电子束后，其空间电荷力将部分鞘层电子重新吸引回轴线，形成与正电子束重叠的延伸电子细丝。模拟显示，当正电子束峰值密度达100n₀、横向尺寸2μm时，能产生覆盖整个束流的聚焦场。

【非线性正电子束加载效应】

研究建立了首个描述喷注区正电子加载的理论框架。关键发现是：正电子束与等离子体电子的重叠导致加速场由两部分组成——传统气泡边界决定的E_z1和电子细丝与气泡耦合产生的新项E_z2。后者与E_z1符号相反，且随ξ增加而减小，恰好补偿了E_z1的下降，实现场平坦化。

【稳定高效的正电子加速方案】

优化后的方案显示：98 pC正电子束在144 cm加速后达到4.91 GeV，平均梯度1.64 GeV/m，能量展宽1.27%，发射度增长至8.1 mm·mrad，能量转移效率达25.5%。更引人注目的是高变压器比(HTR)方案，正电子束可获得3倍于驱动束最大减速场的加速梯度，在40 GeV能量下保持2.75%能量展宽和35.3%效率。

研究结论指出，这种新型正电子加载机制突破了传统喷注区的限制，首次实现了与电子加速相当的性能指标。通过同时加载正负电子束，还能进一步提升整体效率至44.1%。该成果不仅为等离子体加速器应用于粒子物理开辟了新途径，更为未来高能正负电子对撞机的发展提供了关键技术支撑。讨论部分强调，虽然当前参数距离对撞机要求仍有差距，但通过降低等离子体密度和结合能量压缩技术，有望进一步优化束流品质，满足下一代粒子加速器的需求。