激光尾场加速的仿真
2004年，美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室的研究人员通过引导和控制极强的激光束，在比以往更远的距离上产生高质量的高能电子束，向实现激光尾场加速的承诺迈出了一大步。然后通过在位于伯克利实验室的美国能源部国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算机上运行 VORPAL（今天被称为VSim）等离子体模拟代码来分析实验结果。这些结果发表在9月30日的《自然》杂志上，该杂志选择了一张来自 NERSC 模拟的图片作为该杂志的封面。
25年来，物理学家们一直在尝试用被称为激光尾场加速器的设备将带电粒子推向高能量。在理论上，被激光驱动的等离子体电场波加速的粒子可以在短短几米内达到使用传统射频加速的数英里长的机器所达到的高能量。例如，斯坦福大学的直线加速器有两英里长，可以将电子加速到 50 GeV（500 亿电子伏特）。激光尾场技术提供了一个紧凑的高能量加速器的可能性，它可以用于探测亚原子世界，研究新材料和新技术，以及在医疗保健领域的应用。在等离子体中，研究人员已经产生了比传统加速器中大一千到一万倍的电场。不幸的是，这些大的电场只存在于激光脉冲保持强烈的短距离内，对于紧密聚焦的光束，这个距离通常只有几百微米。由此产生的光束质量相对较差，其粒子能量非常分散，只有不到百分之一的能量足以用于科学应用。
伯克利实验室的研究人员在伯克利实验室加速器和聚变研究部光束物理中心的 Wim Leemans 领导下，通过首先用强大的、精确定时的激光脉冲在氢气中塑造一个通道，然后通过通道内的等离子体加速电子束，实现了高质量光束。由于控制了加速器的长度和通道的特性，每束电子中都有几十亿个电子，在超过80兆电子伏的相同高能量的百分之几之内。
"激光尾场加速的工作原理是：通过发送激光脉冲穿过气体，产生等离子体，将气体中带负电的电子与带正电的离子分离--一些自由电子将被激光产生的等离子体波的尾流带走，"Leemans 解释说。"想象一下，等离子体是海洋，而激光脉冲是一艘在其中行驶的船。电子是冲浪者，乘着船尾产生的波浪前进"。
为了分析他们的成功实验，该小组与科罗拉多州博尔德的 John R. Cary 和 Tech-X 公司的团队合作，使用 VORPAL 等离子体模拟代码（今天称为 VSim）在NERSC 的超级计算机上为他们的结果建模。这种模拟使科学家们能够看到实验演变的细节。
"Tech-X 公司首席执行官、科罗拉多大学物理学 Cary 教授说："通过 VSim，人们可以看到激光脉冲的破裂和粒子注入激光-等离子体加速器的过程。"这使人们能够详细了解注入和加速是如何发生的，以便实验的设计者能够找出如何优化这一过程"。
Peter Messmer 的模拟作品
通过调整等离子体通道条件和激光参数，研究人员首先能够实现前所未有的高强度激光束的清洁导向，同时抑制电子捕获。这为使用激光供电的等离子体通道作为超高梯度的加速结构铺平了道路。接下来，通过使用更高的峰值功率，等离子体波被激发出来，能够捕获背景等离子体电子，在尾流电场中快速加速它们，然后在冲浪电子达到退相长度，此时它们即将超过尾场。
由 LBNL 和 Tech-X 公司的 Cameron Geddes 进行模拟。
接下来，研究人员需要确定电子束中的电子如何被加速到几乎相同的能量。实验结束后，伯克利实验室的研究人员与 Tech-X 的合作者一起，在 NERSC 的超级计算机上使用 VSim 对高质量电子束的演变进行模拟。他们发现，具有几乎相同高能量的大型电子束的形成是由几个因素造成的。最关键的是将长的加速路径与退相长度相匹配。其他因素包括等离子体密度和激光功率，以及激光脉冲在等离子体通道中的传播过程中如何演变。
文章来源：
NERSC新闻, 2004年10月
视频来源 :
VSim可视化 作者：Peter Messmer
不同化身的激光尾场加速器，显示了背景电子密度（表面）加上一些高能粒子（光束）作为粒子。