[論文レビュー] Long Term Evolution of Plasma Wakefields

Aakash A. Sahai, T. Katsouleas+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、強力なレーザーまたは粒子ビームによって駆動されるプラズマウェイクフィールドの長期的進化（LTE）を調査し、プラズマ電子およびイオンの周期をはるかに超える時間スケールにおけるエネルギー緩和、イオンダイナミクス、および熱化のメカニズムに焦点を当てる。2.5次元PICシミュレーションを用いて、位相混合およびイオン運動に起因するウェイクフィールドの位相分解とエネルギー散逸が、安定なキャビトン様構造の形成を引き起こすことが示された。本研究の結果は、プラズマ加速器における繰り返しレートの上限に重要な示唆を与える。

ABSTRACT

We study the long-term evolution (LTE) of plasma wakefields over multiple plasma-electron periods and few plasma-ion periods, much less than a recombination time. The evolution and relaxation of such a wakefield-perturbed plasma over these timescales has important implications for the upper limits of repetition-rates in plasma colliders. Intense fields in relativistic lasers (or intense beams) create plasma wakefields (modes around ωpe) by transferring energy to the plasma electrons. Charged-particle beams in the right phase may be accelerated with acceleration/focusing gradients of tens of GeV/m. However, wakefields leave behind a plasma not in equilibrium, with a relaxation time of multiple plasma-electron periods. Ion motion over ion timescales, caused by energy transfer from the driven plasma-electrons to the plasma-ions can create interesting plasma states. Eventually during LTE, the dynamics of plasma de-coheres (multiple modes through instability driven mixing), thermalizing into random motion (second law of thermodynamics), dissipating energy away from the wakefields. Wakefield-drivers interacting with such a relativistically hot-plasma lead to plasma wakefields that differ from the wakefields in a cold-plasma.

研究の動機と目的

• 初期の数個のプラズマ周期を超えたプラズマウェイクフィールドの長期的進化を理解すること。
• イオン音響時間スケールにおけるイオン運動がウェイクフィールドの安定性およびエネルギー分布に与える影響を分析すること。
• プラズマ電子の熱化と、それによる将来のプラズマコライダーの繰り返しレートへの影響を評価すること。
• ウェイクフィールドが摂動を受けるプラズマにおけるエネルギー保持および拡散の時間スケールを定量化すること。

提案手法

• Eulerianプラズマダイナミクスと吸収境界条件を備えた2.5次元OSIRIS PICコードを用いたシミュレーション。
• 単一正イオン（10mp）を有するプラズマを0.01ncで初期化し、a0 = 4.0、10 fs FWHMのレーザーパルスを用いる。
• 縦方向に1皮膜長（c/ωpe）あたり20セル、横方向に1皮膜長あたり10セルの空間分解能を設定。
• 6283.2 /ωpeの時間単位にわたり、電子およびイオン密度、運動量位相空間、および電場の進化を追跡。
• 位相ロック構造内でのウェイクフィールドの減衰、バブルの合体、イオンチャネル形成、および閉じ込められた電場の分析。
• 駆動放射線が存在しない後者のケースとレーザー駆動ウェイクフィールドの挙動を比較し、その差を強調。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期励起以降、複数の電子およびイオンプラズマ周期にわたり、プラズマウェイクフィールドはどのように進化するか？
• RQ2 イオンダイナミクスおよびイオン音響時間スケールが、プラズマウェイクフィールドの緩和および位相分解に果たす役割は何か？
• RQ3 ウェイクフィールドからのエネルギーは、プラズマ内でどの程度保持されたり散逸したりするのか？これにより、その後の駆動パルスにどのような影響が生じるか？
• RQ4 キャビトンのような構造は、長期的進化においてどのように出現し、電場の閉じ込めおよびエネルギー分布にどのような影響を及えるか？
• RQ5 電子の熱化およびモードの位相混合は、高繰り返しレートプラズマコライダーの実現可能性にどのように影響を及えるか？

主な発見

• レーザー駆動プラズマバブルは初期に形成され、横方向の振動を示し、時間経過とともにシェルの曲率が増大し、電子密度が低下する。
• 約1650 /ωpe（≒10 /ωia）でイオン運動が顕著になり、イオンチャネルが形成され、軸から離れて拡散を始める。
• 約100 c/ωpeで合体したプラズマバブルが観察され、共通のイオンキャビティの周囲を電子が運動していることから、長期的な構造的再編成が生じていることが示された。
• レーザーパルス（10 fs）の終了後も、縦方向および横方向の電場が閉じ込められたまま残り、キャビトン様構造が安定した電場閉じ込めを形成していることが示された。
• 位相混合とエネルギー等分配を通じて、系は熱平衡に至り、第二法則に従う形で、コherentウェイクフィールドからの顕著なエネルギー散逸が生じた。
• 電子運動量位相空間には、秩序の喪失とコherencyの喪失が顕著に現れ、時間経過に伴いプラズマ波モードの位相分解が確認された。