[論文レビュー] Downramp-assisted underdense photocathode electron bunch generation in plasma wakefield accelerators

A. Knetsch, O. Karger+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、プラズマウェイクフィールド加速器におけるダウンラムプ支援下密度光電子源方式を提案し、光電子源をプラズマ密度のダウンラムプ上に局在化させることで、電子ビームのトラッピングに必要なドライバービーム電流を低減する。ダウンラムプによりウェイクフィールドの位相速度が低下し、レーザーイオン化された電子が浅いポテンシャル井戸に効率的にトラップ可能となり、暗電流が抑制された超高輝度（約9×10¹⁸ A m⁻² rad⁻²）のビームを実現する。この技術は、低電流加速器、特にレーザー・ウェイクフィールド注入を用いたものに対しても実用的である。

ABSTRACT

It is shown that the requirements for high quality electron bunch generation and trapping from an underdense photocathode in plasma wakefield accelerators can be substantially relaxed through localizing it on a plasma density downramp. This depresses the phase velocity of the accelerating electric field until the generated electrons are in phase, allowing for trapping in shallow trapping potentials. As a consequence the underdense photocathode technique is applicable by a much larger number of accelerator facilities. Furthermore, dark current generation is effectively suppressed.

研究の動機と目的

• プラズマウェイクフィールド加速器における下密度光電子源による電子ビーム生成のための厳格なドライバービーム電流要件を低減すること。
• 従来の下密度光電子源方式における暗電流および制御不能な電子注入の課題に対処すること。
• トロイアン・ホース光電子源技術の既存およびコンact加速器施設への広範な適用可能性を高めること、特にレーザー・ウェイクフィールド駆動の電子ビームを用いた施設にも対応すること。
• プラズマ密度ダウンラムプが高電流電子ドライバを必要とせずに、下密度光電子源方式におけるトラッピング効率の安定化と向上を実現できることを示すこと。
• 自由電子レーザーおよびポンププローブ実験への応用を想定し、低分散および制御されたスライスエネルギー幅を持つ超高輝度ウィtnessビームを達成すること。

提案手法

• プラズマウェイクフィールドの位相速度を局所的に低下させるために、プラズマ密度ダウンラムプを導入し、加速場が電子注入速度と一致する領域を形成する。
• 光電子源を保持するための下密度で高イオン化閾値（HIT）媒体を用い、同期された高精度に焦点を合わせたレーザーパルスによりヘリウム原子をトンネルイオン化させて電子を放出する。
• ダウンラムプが静電的ウェイクポテンシャルを変化させ、ウェイクフィールドの適切な位相で放出された電子を捕らえる浅いトラッピング井戸を形成する。
• 粒子-場（PIC）シミュレーションを用いて、ビームローディング、トラッピング効率、および分散の進化をモデル化し、250 MeVのドライバービームと3 kAのピーク電流を想定する。
• ダウンラムプなしのケースと比較し、平坦密度領域ではトラッピングが発生しないのに対し、ダウンラムプありでは安定的かつ高効率なトラッピングが実現されることを確認する。
• 伝搬距離に応じた輝度および分散の進化を追跡し、最終的な値はz ≈ 4.5 mmでのシミュレーション出力から抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ密度ダウンラムプは、下密度光電子源方式における効率的電子ビームトラッピングに必要なドライバービーム電流を低減可能か？
• RQ2 ダウンラムプは位相速度およびトラッピングポテンシャルの分布にどのように影響を与え、暗電流を抑制した電子注入を可能にするか？
• RQ3 標準的な下密度光電子源構成と比較して、ダウンラムプは制御不能な電子注入（暗電流）をどの程度抑制できるか？
• RQ4 ダウンラムプ支援方式を用いる場合に達成可能なビーム品質指標（分散、輝度、ビーム長）は何か？
• RQ5 この方式は、レーザー・ウェイクフィールド加速器からの低電流ドライバにまで拡張可能か？これにより、完全なオプティカルプラズマ加速器システムが実現可能か？

主な発見

• ダウンラムプ支援下密度光電子源（DTH）方式により、ドライバービーム電流をわずか3 kAで電子ビームトラッピングが可能となり、従来方式と比較して必要な電流を2倍以上低減した。
• ダウンラムプなしでは、20–25 pCの放出電荷でさえもトラッピングが発生しないことから、効果的な注入のためにはダウンラムプの存在が不可欠であることが確認された。
• DTHケースでは、生成された電荷の約15.5 pCが効率的にトラップされたことから、高いトラッピング効率が示された。
• 最終的なウィtnessビームは、正規化分散εₙ ≈ 2 × 10⁻⁸ m·radおよび輝度B ≈ 9 × 10¹⁸ A m⁻² rad⁻²を達成し、最先端の下密度光電子源結果と同等の性能を示した。
• プラズマブロー・アウトの延長によりビーム長がσ_z ≈ 9 μmに拡張され、ピーク電流は約1 kAに低下したが、これはFEL応用において放射スリッピングを低減する上で有益であった。
• トラッピングをダウンラムプ領域に限定することで、暗電流が効果的に抑制され、クリアで高品質なウィtnessビームが得られた。