[論文レビュー] Laser-Driven Structure-Based Accelerators

R. J. England, D. Filippetto+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、レーザー駆動構造型加速器（LSA）を、従来のRF加速器の代替手段として、コンactな高勾配加速器として提案している。誘電体、フォトニクスクリスタル、またはプラズモン的微細構造を用い、レーザー場によって電子および陽電子を加速する。実験的にGV/mの加速勾配を達成し、ビームストラールング損失は約数パーセントに抑えられ、スケーラブルでCMOS互換性のあるプロセスと高繰り返しレート動作が可能であり、多TeV級衝突型加速器の実現が可能である。

ABSTRACT

Particle acceleration in microstructures driven by ultrafast solid state lasers is a rapidly evolving area of advanced accelerator research, leading to a variety of concepts based on planar-symmetric dielectric gratings, hollow core fibers, photonic crystals, and plasmonic meta-surfaces. This approach leverages well-established industrial fabrication capabilities and the commercial availability of tabletop lasers to reduce cost, with demonstrated axial accelerating fields in the GV/m range. Wide-ranging international efforts have significantly improved understanding of gradient limits, structure design, particle focusing and transport, staging, and development of compatible low-emittance electron sources. With a near-term focus on low-current MeV-scale applications for compact scientific and medical instruments, as well as novel diagnostics capabilities, structure-based laser-driven accelerators have several key benefits that warrant consideration for future high-energy physics machines, including low beamstrahlung energy loss, modest power requirements, stability, and readiness of supporting technologies.

研究の動機と目的

• 将来の高エネルギー物理学用途における、従来のRF加速器の代替手段として、レーザー駆動構造型加速器（LSA）を確立すること。
• 特に多TeV級線形衝突型加速器用途を想定したLSA分野における資金的・技術的ギャップを解消すること。
• 高勾配構造、ビーム制御、およびレーザー位相制御を統合したウェーハスケールプロトタイプを用いて、LSAの近い将来の実現可能性を示すこと。
• 商業的CMOSおよび通信分野のプロセスとレーザー技術を活用することで、低コストで高効率の加速を実現すること。
• 全TeVスケール衝突型加速器への道筋を検証するための、多GeVスケールのプロトタイプの構築を段階的に進める。

提案手法

• 誘電体レーザー加速（DLA）、プラズモン強化メタサーフェス（MLA）、フォトニクスクリスタル構造を用い、真空中での線形加速に適した、レーザー場の閉じ込めと位相制御を実現する。
• 20 MHzの繰り返しレートで、キャリアエンvelope位相ロックを施した固体状態ファイバー・レーザーを用い、統合チップスケール構造にわたる同期的かつ高精度なレーザー場を駆動する。
• チップ上に統合されたフォトニック波導およびパワー分配器を用い、6インチウェーハ上に複数の加速セクションにわたるレーザーエネルギーを効率的に分配する。
• アクティブな熱的・機械的フィードバックシステムを適用し、マルチステージモジュール間でのアライメント安定化と位相コherー二ティの維持を実現する。
• 干渉計的ビームアライメントとフィードバックを用い、長距離にわたりビーム品質を維持し、エミッタンスの増大を最小限に抑える。
• 光学的診断とリアルタイムフィードバックを用い、加速ステージ全体にわたるレーザー照射状態、ビーム位置、性能をモニタリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー駆動構造型加速器（LSA）は、安定的で高輝度の電子ビームを実現するGV/mの加速勾配を達成できるか？
• RQ2 特に熱管理とウェイクフィールド効果に起因する技術的障壁を除き、LSAが多TeV級線形衝突型加速器エネルギーにスケーリング可能かどうか？
• RQ3 高パワー駆動レーザーのサブサイクル位相およびタイミング制御が、複数の並列チャネルにわたる効率的かつ同期化された加速を可能にするか？
• RQ4 商業的CMOSおよびファイバー・レーザー技術を活用することで、プラグ効率と1GeVあたりのコストをどの程度低減できるか？
• RQ5 多段階でウェーハスケールのLSAプロトタイプは、ビーム制御、エミッタンスの維持、およびGeVスケールエネルギーでの効率的エネルギー移動を実証できるか？

主な発見

• 実験的にGV/mの加速勾配が達成され、数フェムトクーロン（fC）のビームで0.3 MeVを超えるエネルギー増幅が観測された。
• 多TeV級衝突型加速器環境下でのビームストラールング損失は、数パーセント程度に予測され、従来のRF加速器で見られる数十パーセントに比べ顕著に低い。
• 高効率固体レーザーとナノプロセス構造を用いることで、従来のRF加速器と同等またはそれ以上のプラグ効率が実現可能とされる。
• 誘電体構造における熱伝導性とウェイクフィールド制御は、近い将来に解決すべき重要な技術的ギャップと特定された。
• ビーム品質を維持しながら遮断を最小限に抑える高勾配焦点化方式は、必須であり、現在活発に開発中である。
• 同期化されたレーザー供給、ビームステアリング、診断を統合した多段階ウェーハスケールLSAプロトタイプは、TeVスケール衝突型加速器へのLSAの道筋を検証するための重要なマイルストーンとされる。