[論文レビュー] Introduction to Plasma Accelerators: the Basics

R. Bingham, R. M. G. M. Trines|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|Feb 10, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、低密度プラズマにおいて強力なレーザーまたは電子ビームが相対論的プラズマ波を励起し、従来のRF加速器と比較して最大1,000倍高い加速勾配を達成するプラズマウェイクフィールド加速器の基礎的概要を提供する。相対論的流体力学とマクスウェル方程式を用いて、レーザー駆動ウェイクフィールド励起の核心的方程式を導出し、これが電子の加速に加え、バブル状態（ブロー・アウト状態）において光子の加速にも寄与することを示している。

ABSTRACT

In this article, we concentrate on the basic physics of relativistic plasma wave accelerators. The generation of relativistic plasma waves by intense lasers or electron beams in low-density plasmas is important in the quest for producing ultra-high acceleration gradients for accelerators. A number of methods are being pursued vigorously to achieve ultra-high acceleration gradients using various plasma wave drivers; these include wakefield accelerators driven by photon, electron, and ion beams. We describe the basic equations and show how intense beams can generate a large-amplitude relativistic plasma wave capable of accelerating particles to high energies. We also demonstrate how these same relativistic electron waves can accelerate photons in plasmas.

研究の動機と目的

• 従来の粒子加速器のコンactな代替手段としてのプラズマウェイクフィールド加速の理論的基盤を確立すること。
• 強いレーザーまたは電子ビームが低密度プラズマにおいて大振幅の相対論的プラズマ波を励起する仕組みを説明すること。
• 相対論的流体力学と準静的近似を用いて、レーザーウェイクフィールド励起の支配的方程式を導出し、解析すること。
• 10^9 V/cmに達する超高い加速勾配の可能性を示し、テーブルトップ加速器の実現を可能にすること。
• 相対論的プラズマ波が光子を加速できる可能性を検討し、プラズマベース加速の応用範囲を拡張すること。

提案手法

• 強いレーザーまたはビーム場下での電子ダイナミクスをモデル化するため、1流体・冷たい相対論的流体力学を用いる。
• 電磁駆動パルスを記述するため、ベクトルポテンシャルのエンベロープ近似を用いたマクスウェル方程式を適用する。
• 電子流体方程式における時間微分を無視する準静的近似を採用し、系を定常状態に近いダイナミクスに簡略化する。
• レーザーのベクトルポテンシャルエンベロープ、プラズマ密度、静電ポテンシャルの連立非線形方程式を導出する。
• レーザーパルス長さがプラズマ波長と同等になる「ブロー・アウト」またはバブル状態を導入し、単一周期のイオンコロナ駆動ウェイクフィールドを生じることを示す。
• エンベロープ近似下でのベクトルポテンシャルの波動方程式を解き、それがプラズマ密度および相対論的ガンマ要因とどのように関連するかを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いレーザーパルスは、低密度プラズマにおいてどのように大振幅の相対論的プラズマ波を励起するか？
• RQ2 相対論的・準静的状態におけるレーザーウェイクフィールドの自己一貫的進化を支配する基本的方程式は何か？
• RQ3 プラズマウェイクフィールド加速器における加速勾配は、なぜ従来のRFキャビティを上回るのか？
• RQ4 相対論的プラズマ波が光子を加速できるのはどのような場合か、その条件は何か？
• RQ5 レーザー・プラズマ相互作用において、バブル状態またはブロー・アウト状態が形成される物理的メカニズムは何か？

主な発見

• プラズマウェイクフィールド加速器は、約10^9 V/cmの加速場を支持でき、これは従来のRF加速器の約1,000倍に相当する。
• 加速場は電子密度の平方根に比例する（E ∝ n^{1/2}）ため、高密度プラズマにおいても高い勾配が達成可能である。
• ブロー・アウト状態では、レーザーパルスがキャビティに類似した構造を形成し、その後続するイオンコロナが強い単一周期ウェイクフィールドを駆動する。
• 最大ウェイクフィールド振幅はレーザーパルス内に達し、その到達に要する時間はレーザーパルス長さのオーダーである。
• 相対論的プラズマ波は電子だけでなく光子の加速も可能であり、プラズマベース加速の応用範囲を荷電粒子にとどまらず拡張する。
• 準静的近似とエンベロープ法を用いて導出されたモデル方程式は、相対論的状態におけるウェイクフィールドの形成と進化を正確に記述している。