雷射尾場加速的模擬
2004年，美國能源部勞倫斯柏克萊國家實驗室的研究人員通過引導和控制比以往更遠的極強鐳射束，生產出高品質的高能電子束，朝著實現雷射尾場加速的承諾邁出了一大步。然後，在柏克萊實驗室的DOE國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級電腦上運行 VORPAL（今天稱為 VSim）電漿模擬程式，對實驗結果進行了分析。研究結果發表在9月30日的《自然》雜誌上，該雜誌從 NERSC 模擬中挑選了一張圖片作為雜誌的封面。
25年來，物理學家一直試圖用雷射尾場加速器等裝置將帶電粒子推向高能。從理論上來說，由雷射驅動的電漿波的電場加速的粒子可以在短短幾米內到達數英里長的機器利用常規射頻加速度獲得的高能量。例如，史丹佛大學的線性加速器有兩英里長，可以加速電子到 50GeV（500億電子伏特）。雷射尾場技術提供了一個緊湊的高能加速器的可能性，可用於探索次原子世界，研究新材料和新技術，以及在衛生保健領域的應用。在電漿中，研究人員產生的電場比傳統加速器大一千到一萬倍。不幸的是，這些大電場只存在於雷射脈衝保持強度的短距離上，對於聚焦緊密的光束，該距離通常只有幾百微米。由此產生的光束質量相對較差，粒子能量非常廣泛，只有不到百分之一的光束有足夠的能量用於科學應用。
柏克萊實驗室的研究人員由柏克萊實驗室加速器和核融合研究部射束物理中心的 Wim Leemans 領導，他們首先通過具有強大、精確定時雷射脈衝的氫氣形成通道，然後通過通道內的電漿加速電子束，從而實現了高品質的射束。由於受控加速器長度和通道的特點，在80多MEV的相同高能的幾分之一內，每束電子中都有幾十億個電子。
"雷射尾場加速工作原理是，通過氣體發送雷射脈衝，從氣體中的正電荷離子中產生電漿分離負電荷電子 - 一些自由電子將在雷射產生的電漿波之後緊跟著，"Leemans 解釋道，"想像一下，電漿是海洋，雷射脈衝是一艘穿過它的船。電子是衝浪者乘著船尾產生的波浪。
為了分析他們成功的實驗，研究小組與科羅拉多州博爾德市 Tech-X 公司的 John R. Cary 和其團隊合作，使用 VORPAL 電漿模擬程式（今天稱為 VSim）在NERSC 的超級電腦上模擬出結果。這種模擬使科學家們能夠看到實驗演變的細節。
Tech-X 公司執行長同時也是科羅拉多大學物理系教授 Cary 說："通過 VSim，人們可以看到雷射脈衝破裂和粒子注入鐳射電漿加速器。"這使人們能夠詳細瞭解注射和加速度是如何發生的，以便實驗的設計師能夠找出如何優化過程。
Peter Messmer 的模擬
通過調整電漿通道條件和雷射參數，研究人員首先能夠實現空前高強度鐳射束的清晰引導，同時抑制電子捕獲。這為使用雷射驅動的電漿通道作為超高梯度加速結構鋪平了道路。其次，通過使用更高的峰值能力，電漿波被激發，能夠拾取背景電漿電子，在尾場中快速加速它們，然後最終在衝浪電子達到相移長度時消退，當它們即將跑出尾場時。
Cameron Geddes、LBNL 和 Tech-X 公司的模擬
接下來，研究人員需要確定這群電子是如何加速到幾乎相同的能量的。實驗結束后，柏克萊實驗室的研究人員以及他們在 Tech-X 的合作者利用 VSim 在 NERSC 超級電腦上模擬了高品質電子束的演化過程。他們發現，大束電子的形成具有幾乎相同的高能量是由於幾個因素造成的。最關鍵的是將長加速路徑與分階段長度匹配。其他因素包括電漿密度和雷射功率，以及雷射脈衝在電漿通道傳播過程中的演進方式。
文章來源：
2004年10月，NERSC 新聞
視頻來源：
Peter Messmer 的 VSim 可視覺化
雷射-尾場加速器的不同變化，顯示背景電子密度（表面）加上一些高能粒子（射束）作為粒子。