[論文レビュー] Design of a multi-channel photonic crystal dielectric laser accelerator

Zhexin Zhao, Dylan S. Black+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Photonic Crystals and Applications参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、1つのレーザー光源を用いて複数の電子ビームを同時に加速できるマルチチャネル光誘電レーザー加速器（MIMOSA）を提案する。これにより、合計の電子スループットがN倍に向上する。電子の位相速度と一致する正規化周波数を持つΓ点における位相一致モードを支持するように光誘電体を設計することで、複数のチャネルにわたって同一の加速電場を実現し、最適なビームチャージ条件下で0.58%のエネルギー効率を達成。複数ビーム運용では最大21%の効率が可能である。

ABSTRACT

To be useful for most scientific and medical applications, compact particle accelerators will require much higher average current than enabled by current architectures. For this purpose, we propose a photonic crystal architecture for a dielectric laser accelerator, referred to as a multi-input multi-output silicon accelerator (MIMOSA), that enables simultaneous acceleration of multiple electron beams, increasing the total electron throughput by at least one order of magnitude. To achieve this, we show that the photonic crystal must support a mode at the $Γ$ point in reciprocal space, with a normalized frequency equal to the normalized speed of the phase matched electron. We show that the figure of merit of the MIMOSA can be inferred from the eigenmodes of the corresponding infinitely periodic structure, which provides a powerful approach to design such devices. Additionally, we extend the MIMOSA architecture to electron deflectors and other electron manipulation functionalities. These additional functionalities, combined with the increased electron throughput of these devices, permit all-optical on-chip manipulation of electron beams in a fully integrated architecture compatible with current fabrication technologies, which opens the way to unconventional electron beam shaping, imaging, and radiation generation.

研究の動機と目的

• 科学および医療分野における実用的応用を制限する単一チャネル誘電体レーザー加速器（DLA）の平均電流が低いという制限を克服する。
• 従来のDLAにおけるサブミクロン幅の電子チャネルに内在する電流制限を克服し、複数の並列電子ビームを可能にする。
• 既存のプロセス技術と互換性を持つスケーラブルで統合型の光誘電体構造を設計し、オンチップでの電子ビーム操作を実現する。
• 1つのマルチチャネルプラットフォームを用いて、加速、偏向、形状制御を含む高スループットで全光学的電子ビーム制御を実現する。
• 空間電荷効果を軽減するため、最適なビームチャージおよびフォーカス条件を特定することで、エネルギー効率とビーム品質を最適化する。

提案手法

• TM偏光モードを支持する、シリコンピラーの2次元光誘電体格子を用いたマルチインプットマルチアウトプットシリコン加速器（MIMOSA）を設計する。
• 電子ビームと電磁モードの位相一致を保証するため、正規化周波数が電子の正規化位相速度と一致するΓ点における光誘電体バンドギャップモードを要求する。
• 無限周期的光誘電体の固有モード解析を用いて、複数チャネルにわたる図面指標と電場均一性を予測・最適化する。
• 一般化固有モード法を適用し、すべてのNチャネルで同一の加速電場を達成するための設計則を導出する。これによりビーム電流がN倍に増加する。
• 空間電荷効果下での発散成長と透過効率を評価するため、一般粒子トレーサー（GPT）コードを用いてビームダイナミクスをシミュレートする。
• 最適な1マイクロビームあたりの電荷（2.18 fC）と最大効率（0.58%）を計算することでエネルギー効率を最適化。37ビームのトレインを用いることで21%の効率が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光誘電体DLAアーキテクチャは、複数の電子ビームを同時に位相ロックされた状態で加速でき、各チャネルに同一の電場を発生させることができるか？
• RQ2 レーザー駆動モードと相対論的電子ビームとの間で、複数チャネルにわたって位相一致を実現するための光誘電体設計基準は何か？
• RQ3 MIMOSAアーキテクチャのエネルギー効率は、ビームチャージおよびトレイン内のマイクロビーム数にどのように依存するか？
• RQ4 サブミクロン幅の加速チャネルにおいて、空間電荷による発散成長を抑えるために必要な外部フォーカス強度はどの程度か？
• RQ5 MIMOSAプラットフォームは、加速および偏向を含む統合的・全光学的電子ビーム操作をどの程度可能にするか？

主な発見

• MIMOSA設計は、電子の位相速度と一致する正規化周波数を持つΓ点における光誘電体モードを設計することで、複数チャネルにわたって同一の加速電場を実現する。
• MIMOSAの図面指標は、無限周期構造の固有モード特性によって決定され、有限構造のフルシミュレーションを実施しないでも予測的設計が可能である。
• 最大エネルギー効率を達成するための最適ビームチャージは2.18 fC（1.36×10⁴電子/マイクロビーム）であり、ピーク効率は0.58%である。
• 250 fsパルス内に37個のマイクロビームをトレイン化した場合、長距離ウィークフィールド効果が無視できるものと仮定すると、エネルギー効率は21%に向上する。
• 粒子追跡シミュレーションの結果、発散成長を最小限に抑えるためには3.8 kTのソレノイド磁場が必要であるが、レーザー駆動のポンデロモティックフォーカスが代替として有効である。
• 中心チャネルのシミュレーション結果は、対称的な電場分布のおかげで全3チャネルの性能を代表しており、マルチチャネル構造全体における均一な性能が確認された。