[論文レビュー] Laser-driven Plasma Wakefield: Propagation Effects

B. Cros|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、電子のエネルギー効率に影響を与える伝搬効果を重視して、レーザー駆動プラズマウェークフィールド加速を調査している。低プラズマ密度とダイレクトキャピラリー管におけるレーザーガイドイングにより、相互作用長が延長され、長距離にわたりプラズマ波が励起され、1–10 GV/cmの加速場が達成可能となり、超相対論的電子エネルギーに到達することが可能である。

ABSTRACT

In the frame of laser-driven wakefield acceleration, the main characteristics of laser propagation and plasma wave excitation are described, with an emphasis on the role of propagation distance for electron acceleration. To optimize interaction length and maximize energy gain, operation at low plasma density is the most promising regime for achieving ultra-relativistic energies. Among the possible methods of extending propagation length at low plasma density, laser guiding by grazing incidence reflection at the wall of dielectric capillary tubes has several assets. The properties of laser guiding and the measurement of plasma waves over long distances are presented.

研究の動機と目的

• レーザー駆動プラズマウェークフィールド加速における伝搬効果が電子エネルギー効率に与える制限要因を分析すること。
• 加速距離とエネルギー出力を最大化するための最適なレジームとして低プラズマ密度を特定すること。
• 誘電体キャピラリー管における斜め入射反射によるレーザーガイドイングを用いて、相互作用長を延長する手法を評価すること。
• 実験的手法とモデル化を用いて、長距離におけるプラズマ波動のダイナミクスを測定・特徴付けること。
• 制御された電子注入と高勾配加速を可能にするために、マルチステージレーザープラズマ加速器の開発を支援すること。

提案手法

• 真空中のバイガウスビームプロファイルを用いたレーザー伝搬のモデル化。マクスウェル方程式とレイリー範囲 $ z_{\mathrm{R}} = \pi w_0^2 / \lambda_0 $ に従う。
• レーザー強度とプラズマ波励起に果たす役割を特徴付けるために、正規化レーザー強度 $ a_0 = eA_0 / (mc\omega_0) $ を用いる。
• 電子密度の変調とウェークフィールド形成を記述するため、ポンドモーティブ力 $ \mathbf{F}_{\mathrm{p}} \propto -\nabla I $ を適用する。
• キャピラリー壁面における斜め入射反射を用いて、長距離にわたりレーザーパルスを閉じ込めるレーザーガイドイングを実装する。
• レーザーパルスのスペクトルシフト（例：図16）を用いてプラズマ波電場を測定し、数値シミュレーションで検証する。
• 低密度プラズマ内での伝搬中に、レーザーパルスのパラメータ（強度、パルス幅、横断的プロファイル）の変化を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ密度は、レーザーウェークフィールド加速における電子エネルギーの最大値にどのように影響を与えるか？
• RQ2 不十分な密度プラズマにおけるレーザーパルス伝搬長の制限要因は何か。それらはどのように緩和可能か？
• RQ3 誘電体キャピラリー内でのレーザーガイドイングが、電子加速のための相互作用長をどの程度延長できるか？
• RQ4 キャピラリー導波構造において、長距離にわたりプラズマ波電場はどのように変化するか。加速勾配はどの程度か？
• RQ5 長距離プラズマ波測定の結果が、マルチステージレーザープラズマ加速器設計に与える影響は何か？

主な発見

• 誘電体キャピラリー内でのレーザーガイドイングにより、レーザーパルスがセンチメートルスケールの距離にわたり持続的に伝搬可能となり、相互作用長が顕著に延長された。
• レーザー強度約 $ 10^{17} \, \text{W/cm}^2 $ の条件下で、実験的に1–10 GV/cmのプラズマ波電場が測定され、高勾配電子加速が可能であることが裏付けられた。
• 50 mbarの圧力下で8 cmのキャピラリー内では、加速勾配と長さの積の平均が0.4 GVに達した。より長いチューブと高いレーザーエネルギーを用いれば、数GVにスケーリング可能である。
• レーザースペクトルの波長シフト（図16）により、長距離伝搬に伴うプラズマ波ダイナミクスの進化が確認され、モデリングによって裏付けられた。
• 低プラズマ密度は、位相差と消耗効果を低減させ、より長い加速距離と高い電子エネルギーを実現可能にする。
• 将来のマルチステージ加速器、例えばAPOLLONやBELLAは、キャピラリー導波レーザーと外部電子注入を用いて10 GeVの電子ビームを実現することを目的としている。