[論文レビュー] Enhanced betatron radiation by steering a low-energy-spread electron beam in a deflected laser-driven plasma wiggler

Changhai Yu, Jiansheng Liu+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 50被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、斜めに傾いたプラズマ屈折板を用いて、低エネルギー散乱の電子ビームを偏光されたレーザー駆動プラズマウイグルに誘導することで、レーザーウェーブフィールド加速器におけるベタトロン放射を向上させる新規な手法を提案する。この技術により横方向の振動振幅が10倍以上に増大し、光子出力とエネルギーが顕著に向上するとともに、スペクトルの広がりが抑制され、コンパクトな構成でモノエネルギービームと明るく狭帯域のX線を同時に生成することが可能になる。

ABSTRACT

Laser wakefield accelerators (LWFA) hold great potential to produce high-quality high-energy electron beams (e beams) and simultaneously bright x-ray sources via betatron radiation, which are very promising for pump-probe study in ultrafast science. However, in order to obtain a high-quality e beam, electron injection and acceleration should be carefully manipulated, where a large oscillation amplitude has to be avoided and thus the emitted x-ray yield is limited. Here, we report a new scheme to experimentally enhance betatron radiation significantly both in photon yield and photon energy by separating electron injection and acceleration from manipulation of the e-beam transverse oscillation in the wake via introducing a slanted thin plasma refraction slab. Particle-in-cell simulations indicate that the e-beam transverse oscillation amplitude can be increased by more than 10 folds, after being steered into the deflected laser-driven wakefield due to refraction at the slab's boundaries. Spectral broadening of the x-rays can be suppressed owing to the small variation in the peak energy of the low-energy-spread e beam in a plasma wiggler regime. We demonstrate that the high-quality e-beam generation, refracting and wiggling can act as a whole to realize the concurrence of monoenergetic e beam and bright x-rays in a compact LWFA.

研究の動機と目的

• レーザーウェーブフィールド加速器における高品質な電子ビーム生成と明るいベタトロン放射の間のトレードオフを克服すること。
• 電子注入および加速を横方向の振動制御から分離することで、X線放射を強化すること。
• 電子ビームの品質を損なうことなく、ベタトロン放射の高い光子出力とエネルギーを達成すること。
• モノエネルギービームと明るく狭帯域のX線を同時に生成可能なコンパクトで統合されたシステムを実現すること。

提案手法

• 斜めに傾いた薄いプラズマ屈折板を導入し、電子ビームをレーザー駆動プラズマウイグルに誘導する。
• 板の境界での屈折により、ビームの横方向振動振幅が10倍以上に増大する。
• 粒子-場シミュレーションによりビームダイナミクスをモデル化し、プラズマウェーブフィールド内での強化されたウイグル運動を示した。
• 低エネルギー散乱の電子ビームの性質により、振動中のエネルギー変動が最小限に抑えられ、スペクトルの広がりが抑制された。
• 電子ビーム生成、屈折、ウイグル運動を1つのコンパクトなレーザーウェーブフィールド加速器構成に統合した。
• この手法は、横方向ベタトロン振動によってベタトロン放射が生成されるプラズマウイグル領域で動作する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子ビームの横方向振動振幅を、ビーム品質を損なうことなく著しく増大させることができるか？
• RQ2 スペクトル純度を維持したまま、ベタトロン放射の光子出力とエネルギーを向上させることができるか？
• RQ3 1つのコンパクトなレーザーウェーブフィールド構成内において、電子ビームの注入、加速、ウイグル運動を一括して制御できるか？
• RQ4 プラズマ屈折によるビーム誘導は、ビーム品質と放射強化の間の有効な分離を可能にするか？

主な発見

• 斜めに傾いたプラズマ屈折板を通過した後、電子ビームの横方向振動振幅が10倍以上に増大した。
• 振幅の増大に伴い、ベタトロン放射の光子出力が顕著に向上した。
• 放射されるX線のピーク光子エネルギーが上昇し、高エネルギー放射が生成されたことを示した。
• 低エネルギー散乱の電子ビームによるエネルギー変動が小さいため、スペクトルの広がりが抑制された。
• コンパクトな構成で、モノエネルギービームと明るく狭帯域のX線を同時に生成した。
• 粒子-場シミュレーションによる実験結果の妥当性が確認され、増幅メカニズムと性能向上が裏付けられた。