科研动态 | 我院黄永盛教授团队在正电子束冷却与预加速研究方面取得进展

      近期，我院黄永盛教授团队联合国防科技大学、上海师范大学等单位，在正电子束冷却与预加速研究方面取得进展。相关成果以“Efficient cooling and pre-acceleration of positron beams via a surface-plasmon wakefield”为题发表于《Communications Physics》。我院博士后司梅雨为论文第一作者，黄永盛教授为唯一通讯作者，博士研究生张亮琪参与了研究工作。

研究简介

      正电子与电子质量相同、电荷相反，其高品质束流是未来电子—正电子对撞机的重要基础。针对正电子难以高效捕获、易发散等问题，团队提出基于高密度等离子体微管的表面等离激元尾场预加速方案。

      电子束穿过微管内的铅靶产生正电子，同时激发管壁表面电子层振荡，形成纵向约20微米、横向约100微米的有效加速区域。该尾场兼具纵向相位锁定与横向聚焦作用，可在单级结构中实现正电子的捕获和持续加速。

图1  高密度等离子体微管中正电子产生与预加速的原理示意图（原论文图1）。

      数值模拟表明，平均加速梯度约为0.5 TV/m；在约10毫米内，正电子束峰值能量达到5.68 GeV，相对能散降至10.3%，纵向捕获效率超过95%，横向几何发射度和发散角减小。此外，该方案在横向偏移10微米时仍可稳定加速，并支持多束团同时加速。

图2  正电子束峰值能量、相对能散与最大数密度随加速距离的演化。

      团队此前已在《Optics Express》[1]和《Ultrafast Science》[2]报道红外辐射及阿秒电子束产生与加速研究。本工作将相关机制拓展至正电子束的捕获、冷却与预加速，为紧凑型高亮度正电子注入器提供新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s42005-026-02716-2

参考文献

[1] Mei-Yu Si, Yong-Sheng Huang, Man-Qi Ruan, Bai-Fei Shen, Zhang-Li Xu, Tong-Pu Yu, Xiong-Fei Wang and Yuan Chen. Relativistic-guided stable mode of few-cycle 20 µm level infrared radiation. Optics Express, 31, 40202 (2023).

[2] Liang-Qi Zhang, Mei-Yu Si, Tong-Pu Yu, Yuan-Jie Bi, Yong-Sheng Huang. Generation and Acceleration of Isolated-Attosecond Electron Bunch via Phase-Compressed Injection. Ultrafast Science, 5, 0101 (2025).

研究团队介绍

      课题组负责人黄永盛，中山大学理学院教授、博士生导师、副院长，伽玛光子对撞机及综合束流设施首席科学家。团队围绕激光等离子体相互作用与新型粒子加速原理、高亮度激光逆康普顿光源及应用、伽玛光子对撞机，以及医学物理、超高能电子（VHEE）放疗等方向开展研究。目前团队拥有多名博士后、博士研究生和硕士研究生，欢迎感兴趣的师生交流合作。

      联系方式：huangysh59@mail.sysu.edu.cn

      第一作者司梅雨，中山大学理学院科研博士后。2024年6月获中国科学院高能物理研究所粒子物理与原子核物理博士学位，同年8月加入中山大学理学院。主要开展新型粒子加速及相关领域的理论研究与数值模拟，研究方向涵盖等离子体与辐射驱动的带电粒子加速、高能束流能量标定及伽玛对撞机物理与探测器模拟等。

      联系方式：simy@mail.sysu.edu.cn