[論文レビュー] An Adiabatic Phase-Matching Accelerator

François Lémery, K. Floettmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ビームの速度に合わせて波ガイドの幾何学的形状を動的に調整することにより、非相対論的電子の位相一致加速を可能にする断熱的につぶし込まれた誘電体被覆波ガイド（DLW）を提案する。マクスウェル方程式およびFDTDシミュレーションにより検証された解析的アンサンブルを用いて、1 mm 波長、100 MV/m 電場で10 cm の長さで10 MeV の加速を達成し、アトセカンドX線発生に適した高品質な電子ビームを生成する。

ABSTRACT

We present a general concept to accelerate non-relativistic charged particles. Our concept employs an adiabatically-tapered dielectric-lined waveguide which supports accelerating phase velocities for synchronous acceleration. We propose an ansatz for the transient field equations, show it satisfies Maxwell's equations under an adiabatic approximation and find excellent agreement with a finite-difference time-domain computer simulation. The fields were implemented into the particle-tracking program {\sc astra} and we present beam dynamics results for an accelerating field with a 1-mm-wavelength and peak electric field of 100~MV/m. The numerical simulations indicate that a $\sim 200$-keV electron beam can be accelerated to an energy of $\sim10$~MeV over $\sim 10$~cm. The novel scheme is also found to form electron beams with parameters of interest to a wide range of applications including, e.g., future advanced accelerators, and ultra-fast electron diffraction.

研究の動機と目的

• 高周波数で加速される非相対論的電子ビームにおける位相ずれの問題を解決し、ビーム速度に応じた動的位相速度一致を可能にする。
• 超高速電子回折およびアトセカンドX線科学への応用に適したコンactかつ高勾配の加速器コンセプトを開発する。
• 誘電体波ガイドの断熱的傾斜が、位相不一致に起因するエネルギー損失なしに同期加速を維持できることを示す。
• 全波動電磁界シミュレーションおよびastraコードにおける粒子追跡を用いて、場の解とビームダイナミクスを検証する。

提案手法

• 縦方向に傾斜する誘電体被覆波ガイド（DLW）における一時的電磁界の解析的アンサンブルを提案し、z方向に電子ビームの速度と一致する位相速度を保証する。
• 空間的に変化する内半径を有する円筒形DLWにおけるTM01モードの場の式を導出する。これにより、断熱的位相速度制御が可能となる。
• アディアバティック近似の下で、マクスウェル方程式との整合性を確認するため、有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションと照合して場の解を検証する。
• 導出された場の式をastra粒子追跡コードに組み込み、実際の初期ビームパラメータを用いたビームダイナミクスのシミュレーションを実施する。
• 初期加速段階における強い発散力に対処するため、単純なビームマッチング方式を採用する。
• ビーム品質指標（エネルギー散乱、ビーム長、エミッタンス）を評価するため、スタート・トゥ・エンドのシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電体波ガイドの断熱的傾斜は、光周波数で非相対論的電子の位相一致加速を可能にするか？
• RQ2 アンサンブルから導出された場の解は、マクスウェル方程式を満たし、10 cm の長さにわたりビームと同期を保つことができるか？
• RQ3 1 mm 波長、100 MV/m 電場における傾斜付きDLWで、どのようなビーム品質（エネルギー散乱、エミッタンス、ビーム長）が達成可能か？
• RQ4 入力パラメータ（電場振幅、注入オフセットなど）を変化させることで、同じ傾斜付き波ガイドがどれほど広範なパラメータ設定の電子ビームを生成できるか？
• RQ5 提案された方式は、逆コンプトンX線発生などの応用に適した高繰り返しレート・コンパクトな電子源を実現できるか？

主な発見

• 200 keV の電子ビームが、10 cm の長さの傾斜付き誘電体波ガイドを用いて10 MeV まで加速された。
• 入力パワーおよび注入オフセットの異なる条件下でも、ビームエネルギーは約11 MeV でほぼ一定を保った。これは、パラメータ変動に対して高い耐性を示している。
• 最終的なビーム長は約0.8 fs（逆ビーム長 ~1.25 /µm）まで短縮可能であり、エネルギー散乱は最小で25 keV にまで低下した。
• 正規化横方向エミッタンスは約0.3 π mm mrad まで低下し、コherent X線発生に適した高品質なビームであることが示された。
• 同一の波ガイド設計を用いて、エネルギー、長さ、エミッタンスの異なる多様な電子ビームを広範囲にわたって調整可能であることが明らかになった。
• 解析的場の解はFDTDシミュレーションにより検証され、astraコードへの正しく統合され、整合性と予測精度が確認された。