[論文レビュー] Beam-driven, Plasma-based Particle Accelerators

P. Muggli|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、相対論的電子または陽子ビームが大振幅プラズマウェイブフィールドを励起し、追従する粒子を高エネルギーに加速するビーム駆動プラズマウェイブフィールド加速器（PWFA）をレビューする。主な結果には、ウェイブフィールド励起の理論的基盤、変換比とビームローディングの役割、および長大な陽子ビームを用いた高勾配加速を可能にする自己変調不安定性の可能性が含まれる。これはCERNで計画されているAWAKE実験で実証された。

ABSTRACT

We briefly give some of the characteristics of the beam-driven, plasma-based particle accelerator known as the plasma wakefield accelerator (PWFA). We also mention some of the major results that have been obtained since the birth of the concept. We focus on high-energy particle beams where possible.

研究の動機と目的

• 従来のRFベースの加速器の代替手段としてのビーム駆動プラズマウェイブフィールド加速器（PWFA）の包括的概要を提供すること。
• プラズマ内における相対論的荷電粒子ビームによるウェイブフィールド励起の物理的メカニズムを説明すること。
• 発振子パラメータ（発散、エネルギー、ビーム長）がウェイブフィールド生成および粒子加速の最適化に与える影響を分析すること。
• 長大ビームを用いた効率的加速を可能にする自己変調不安定性のような高度な概念を検討すること。
• CERNのAWAKEプロジェクトの実験的ロードマップを提示し、陽子駆動ウェイブフィールド加速を実証することを目的とする。

提案手法

• ガウスの法則とファラデーの法則を用いて、一様な密度を持つ円筒形ビームとして相対論的荷電粒子ビームをモデル化し、横方向および縦方向の電場を導出する。
• ローレンツ変換を適用して、実験フレームにおいて電場が主に横方向に集中することを示し、相対論的粒子では有効な横方向力が1/γ²で減少することを示す。
• 線形理論を用いてプラズマウェイブフィールドの励起を記述し、波の崩壊電場と変換比を含む。変換比は最大エネルギー取得を制限する。
• ビームローディングと非線形効果（ビームの焦点化およびプラズマ内での伝搬）を導入し、陽電子ビームのためのハロー状プラズマチャネルの利用を含む。
• 自己変調不安定性（SMI）を、長大ビームがプラズマ波長間隔でマイクロビームに分割されるメカニズムとして分析し、ウェイブフィールド振幅を増大させる。
• 準線形および非線形領域におけるウェイブフィールド成長のシミュレーションと推定を実施し、特に長大ビームを駆動源とする陽子の状況を重点的に分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的荷電粒子ビームはどのように大振幅プラズマウェイブフィールドを励起し、高勾配粒子加速に適した状態を生じさせるか？
• RQ2 PWFAにおける最大エネルギー取得は何かによって制限され、変換比はその制限にどのように影響するか？
• RQ3 自己変調不安定性は、長大な陽子ビームを効果的にマイクロビームに変調し、ウェイブフィールド励起を強化できるか？
• RQ4 効率的な電子および陽電子加速のための最適なビームおよびプラズマパラメータは何か？
• RQ5 ステージングとプラズマ供給設計を最適化することで、マルチステージプラズマ加速器で高平均加速勾配を達成できるか？

主な発見

• 線形領域ではPWFAにおける変換比は約2に制限されるが、ビームローディングおよび非線形効果により向上させられる。
• 相対論的ビームでは横方向力が1/γ²で減少するため、安定な伝搬が可能となり、外部焦点化を用いたビームサイズの制御が可能になる。
• 自己変調不安定性により、長大な陽子ビームがプラズマ波長間隔でマイクロビームに分割され、ウェイブフィールド振幅が顕著に増大する。
• 数値シミュレーションの結果、1 TeV、100 µmの長さの陽子ビームは500 µmのプラズマ中で最大約600 GeVのエネルギー取得が可能であると示唆されているが、このようなビームはまだ存在しない。
• CERNのAWAKE実験は、400 GeVのSPS陽子ビームを用い、密度7×10¹⁴ cm⁻³、長さ10 µmのプラズマを用いて陽子駆動ウェイブフィールド加速を実証することを目的としている。
• SLACおよびDESYでの予備実験では、横方向ウェイブフィールドによる径方向変調およびビームハローの形成が観測され、電子および陽電子ビームにおけるSMI効果の確認が得られた。