[論文レビュー] A non-linear theory for the bubble regime of plasma wake fields in tailored plasma channels

Johannes Thomas, I. Yu. Kostyukov+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2015

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 38被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、整形されたプラズマチャネルにおけるバブル状態の最初の解析的モデルを提示し、イオンキャビティおよび周囲の電子シース内の自己自己整合的電場および磁場を導出する。このモデルは、横方向の電場が逆転し、真空中の焦点化力が抑制されることを示しており、これによりレーザーの消費長と非同期長をバランスさせることで、電子ビームの品質とエネルギー効率を制御可能となる。

ABSTRACT

We introduce a first full analytical bubble and blow-out model for a radially inhomogeneous plasma in a quasi-static approximation. For both cases we calculate the accelerating and the focusing fields. In our model we also assume a thin electron layer that surrounds the wake field and calculate the field configuration within. Our theory holds for arbitrary radial density profiles and reduces to known models in the limit of a homogeneous plasma. From a previous study of hollow plasma channels with smooth boundaries for laser-driven electron acceleration in the bubble regime we know that pancake-like laser pulses lead to highest electron energies [Pukhov et al, PRL 113, 245003 (2014)]. As it was shown, the bubble fields can be adjusted to balance the laser depletion and dephasing lengths by varying the plasma density profile inside a deep channel. Now we show why the radial fields in the vacuum part of a channel become defocussing.

研究の動機と目的

• 径方向非均一なプラズマチャネルにおけるバブル状態の自己自己整合的解析理論を構築し、均一プラズマモデルを超える拡張を図ること。
• イオンキャビティ内および周囲の電子シース内の電場および磁場を、バブル半径に比べて無視できる厚さの薄層としてモデル化すること。
• 任意の半径方向プラズマ密度プロファイルが、特に深いプラズマチャネルの真空中に及ぼす影響を、場の配置に与える影響を調査すること。
• 整形プラズマチャネルが、どのようにしてレーザー消費長と電子非同期長をバランスさせ、エネルギー効率とビーム品質を向上させるかを解明すること。
• 非一様密度プロファイルを用いたプラズマウェークフィールド加速器の最適化の理論的基盤を提供すること、特に有害なベータトロン共鳴を抑制する点を目的とする。

提案手法

• 場が時間に依存しない形で、時間座標に依存せず、長さ方向座標 ξ = ct − z のみに依存する準静的近似を採用することで、変化するバブル構造の定常的解析を可能にする。
• 電子シースをイオンキャビティを囲む薄層としてモデル化し、その厚さがバブル半径 rb よりも著しく小さいものとする。この層内での電子の運動方程式を解く。
• 一般の半径方向密度プロファイルを用い、イオン密度プロファイル ρ_ion(r) および電子密度 n_e(r) を入力として、場を計算する。
• 円筒座標系におけるポアソン方程式およびアンペール方程式を用い、電子シース電流および電荷密度を源項として含む形で、加速場および焦点化場（E_z, E_r, B_φ）を解析的に導出する。
• 指数関数的およびハロー型プラズマチャネルプロファイルに本モデルを適用し、特に軸上での n_e → 0 の極限を含め、真空中での場の逆転を分析する。
• 3次元PICシミュレーションを用いて予測を検証し、特に焦点化力 F_r ≈ B_φ − E_r がチャネルの真空中でほぼゼロとなることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の半径方向プラズマ密度プロファイルは、プラズマウェークフィールドのバブル状態における電場および磁場の構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 深いプラズマチャネルの真空中で横方向焦点化力はどのように変化するか？また、それが反焦点化または消滅する可能性はあるか？
• RQ3 バブル境界付近のプラズマ壁部で、半径方向電場 E_r が符号を逆転させうるか？その場合、電子ビームダイナミクスにどのような影響を及えるか？
• RQ4 どのようにして整形プラズマチャネルを用いて、レーザー消費長と電子非同期長をバランスさせ、エネルギー効率を向上させられるか？
• RQ5 電子シースモデルは、非一様プラズマチャネルにおけるベータトロン振動の抑制およびビームエネルギー幅の縮小をどの程度まで説明できるか？

主な発見

• モデルは、バブル境界付近のプラズマ壁部で半径方向電場 E_r が逆転することを予測しており、3次元PICシミュレーションでも E_r が消滅し符号を変えることが確認された。
• 深いプラズマチャネルの真空中では、焦点化力 F_r ≈ B_φ − E_r がほぼゼロとなり、横方向の束縛が著しく弱まる。
• 半径方向電場の逆転により、真空中の焦点化力が完全にキャンセルされ、結果として横方向焦点化が効果的に解除され、ビーム品質の向上が可能になる。
• 場の式における主要な積分源項が消えるため、真空中の焦点化力の振幅が著しく低下する。
• 本モデルは、パラメータ n₀, δ_ch, および R_ch を用いることで、エネルギー効率、ビーム品質、およびレーザーパルスガイドの独立制御が可能であると示している。
• 本解析的枠組みは、定常密度の極限において既知の均一プラズマモデルに還元され、従来の理論と整合性を保っていることが確認された。