[論文レビュー] Generation of Low Absolute Energy Spread Electron Beams in Laser Wakefield Acceleration Using Tightly Focused Laser through Near-Ionization-Threshold Injection

Fei Li, C. J. Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2015

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超高性能レーザーを精密に焦点化することで、超低エネルギー散乱を実現するレーザーウェーブフィールド加速におけるニアスレッショルドイオン化（NIT）注入方式を提案する。レーザー強度とプラズマプロファイルの制御によりイオン化を短距離に限定することで、190 MeVのピークエネルギーと1.7 pCの電荷を有する1.4%（rms）のエネルギー散乱を実現し、コherent光源への応用可能性を示した。

ABSTRACT

An enhanced ionization injection scheme using a tightly focused laser pulse with intensity near the ionization potential to trigger the injection process in a mismatched pre-plasma channel has been proposed and examined via multi-dimensional particle-in-cell simulations. The core idea of the proposed scheme is to lower the energy spread of trapped beams by shortening the injection distance. We have established theory to precisely predict the injection distance, as well as the ionization degree of injection atoms/ions, electron yield and ionized charge. We have found relation between injection distance and laser and plasma parameters, giving a strategy to control injection distance hence optimizing beam's energy spread. In the presented simulation example, we have investigated the whole injection and acceleration in detail and found some unique features of the injection scheme, like multi-bunch injection, unique longitudinal phase-space distribution, etc. Ultimate electron beam has a relative energy spread (rms) down to 1.4% with its peak energy 190 MeV and charge 1.7 pC. The changing trend of beam energy spread indicates that longer acceleration may further lower the energy spread down to less than 1%, which may have potential in applications related to future coherent light source driven by laser-plasma accelerators.

研究の動機と目的

• コherentX線源などの応用において重要な、レーザーウェーブフィールド加速における電子ビームエネルギー散乱の低減を目的とする。
• 従来のイオン化注入では、イオン化長が長いために大きなエネルギー散乱が生じるという制限を克服することを目的とする。
• エネルギー散乱を最小限に抑えるために、電子注入を局所化できる制御可能で実験的に実現可能な注入方式の開発を目的とする。
• 最適化のための注入距離、イオン化度、電子出yield、および電荷を予測する理論的枠組みの確立を目的とする。
• さらに長い加速を実施することで、エネルギー散乱を1%未満に低下させ、将来的な応用に向けたビーム品質の向上を示すことを目的とする。

提案手法

• 高イオン化ポテンシャルを持つ気体のイオン化ポテンシャルに近い強度のタイトに焦点を合わせたレーザーパルスを用い、局所的な電子注入を誘発する。
• 注入プロセスを空間的・時間的に制限するため、不一致なプレプラズマチャネルを採用し、注入長を短縮する。
• 現実的なプラズマ条件下での完全な注入および加速ダイナミクスをモデル化するため、多次元粒子-場（PIC）シミュレーションを用いる。
• レーザー強度とプラズマ密度に基づく、修正されたイオン化率モデルを用いて、電子出yieldおよびイオン化電荷の解析的表現を導出する。
• レーザースポットサイズの変化とイオン化ポテンシャルのしきい値に依存する、注入距離予測のための理論的枠組みを導入する。
• 擬似ポテンシャル形式とハミルトニアン力学を用いて、プラズマウェーブフィールド内での電子捕獲およびエネルギー増幅をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニアスレッショルドイオン化による局所的電子注入は、レーザーウェーブフィールド加速においてエネルギー散乱を2%未満に低下させることができるか？
• RQ2 不一致なチャネルにおける注入距離は、レーザー強度、スポットサイズ、およびプラズマ密度にどのように依存するか？
• RQ3 レーザーパラメータと得られる電子ビームエネルギー散乱との間には、理論的にどのような関係があるか？
• RQ4 最適な条件下で、マルチバンチ注入および特異な位相空間分布がこの注入方式から生じるか？
• RQ5 さらなる加速によって、エネルギー散乱を1%未満に低下させることはどの程度可能か？

主な発見

• 提案されたニアスレッショルドイオン化（NIT）方式は、190 MeVのピークエネルギーと1.7 pCの電荷を持つシミュレーション例で、相対的エネルギー散乱1.4%（rms）を達成した。
• 理論的に導出された注入距離は、レーザー強度、スポットサイズ、およびプラズマ密度に依存し、ビーム品質の制御が可能であることを示した。
• ビームはマルチバンチ注入および特異な縦方向位相空間分布を示しており、複雑だが制御可能な注入ダイナミクスであることが示された。
• エネルギー散乱は加速長が延長されるに従い減少する傾向を示しており、より長いプラズマ長を用いることで1%未満のエネルギー散乱が実現可能である可能性がある。
• 修正されたイオン化率式を用いた、イオン化電子出yieldおよび総電荷の解析的モデルが構築され、PICシミュレーションによる妥当性が確認された。
• 本手法は実験的実現可能性を維持しながら、エネルギー散乱性能において従来の2段階注入方式を著しく上回った。