[論文レビュー] Non-linear Ion-Wake Excitation by the Time-Asymmetric Electron Wakefields of Intense Energy Sources with applications to the Crunch-in regime

Aakash A. Sahai|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 29被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、強力なレーザーまたは粒子ビームから生じる時間非対称な電子ウェークフィールドが、電子バブル内の径方向電場非対称性によって駆動される、長寿命で非線形な円筒形イオンソリトンウェークをプラズマ中に励起することを提案する。このイオンウェークは、電子の熱的圧力によって支えられ、径方向に拡張する密度圧縮チャネルを形成し、プラズマ加速器の繰り返しレートを制限するとともに、強い線形径方向焦点化場によって陽電子加速のための'クランチイン'領域を可能にする。

ABSTRACT

A model for the excitation of a non-linear ion-wake mode by a train of plasma electron oscillations in the non-linear time-asymmetric regime is developed using analytical theory and particle-in-cell based computational solutions. The ion-wake is shown to be a driven non-linear ion-acoustic wave in the form of a cylindrical ion-soliton. The near-void and radially-outwards propagating ion-wake channel of a few plasma skin-depth radius, is explored for application to "Crunch-in" regime of positron acceleration. The coupling from the electron wakefield mode to the ion-mode dictates the long-term evolution of the plasma and the time for its relaxation back to an equilibrium, limiting the repetition-rate of a plasma accelerator. Using an analytical model it is shown that it is the time asymmetric phases of the oscillating radial electric fields of the nearly-stationary electron bubble that excite time-averaged inertial ion motion radially. The electron compression in the back of the bubble sucks-in the ions whereas the space-charge within the bubble cavity expels them, driving a cylindrical ion-soliton structure with on-axis and bubble-edge density-spikes. Once formed, the channel-edge density-spike is sustained over the length of the plasma and driven radially outwards by the thermal pressure of the wake energy in electrons. Its channel-like structure is independent of the energy-source, electromagnetic wave or particle beam, driving the bubble electron wake. Particle-In-Cell simulations are used to study the ion-wake soliton structure, its driven propagation and its use for positron acceleration in the "Crunch-in" regime.

研究の動機と目的

• 強力なドライバーパルス後のプラズマウェークフィールド加速器における長期間のイオンダイナミクスを理解すること。
• 時間非対称な電子ウェークフィールドが非線形イオンウェークモードをどのように励起するかのメカニズムを特定すること。
• 円筒形イオンソリトンの形成と進化をモデル化し、プラズマの緩和と繰り返しレートの制限の主要因とすること。
• このイオンウェーク構造を陽電子加速のための'クランチイン'領域に応用することを探索すること。
• 電子ウェークフィールドエネルギーから非線形イオンアコースティックモードへの結合を定量化すること。

提案手法

• ほぼ静止した電子バブルからの時間非対称な径方向電場の下でのイオンダイナミクスの解析的モデル化。
• 非線形イオンソリトン構造とその数百プラズマスキンディープスにわたる駆動伝播を解明するための粒子-場（PIC）シミュレーションの使用。
• 長時間列動的挙動への外挿を可能にするために、単一バブル近似を用いたイオン運動のモデル化。
• 電子ウェークフィールド、クワイバー運動エネルギー、およびイオンモード励起へのエネルギー分配の分析。
• 電子の熱的圧力と径方向拡張ダイナミクスを用いたイオンウェークの持続可能性の評価。
• ビームローディング効果の有無にかかわらず、非線形電子振動下でのイオンウェークの進化を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間非対称な電子ウェークフィールド構造は、どのようにプラズマ内で非線形イオンウェークを励起するのか？
• RQ2 電子バブルの後方に持続的な円筒形イオンソリトンが形成される物理的メカニズムは何か？
• RQ3 イオンウェーク構造は、プラズマベース加速器の緩和時間と繰り返しレートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 電子の熱的圧力は、イオンウェークチャネルの径方向拡張を支える役割を果たすか？
• RQ5 イオンウェークは、強力で線形径方向焦点化場を備えた状態で、陽電子加速のための'クランチイン'領域をどのように可能にするか？

主な発見

• 時間非対称な径方向電場の作用により、電子バブルの後方に非線形円筒形イオンソリトンが形成され、その半径は約4c/ωpeである。
• イオンウェークチャネルには、中心軸およびバブル縁に密度ピークが現れ、δni/n0 > 1であるため、強いイオン圧縮が示唆される。
• イオンソリトンは、電子の熱的圧力によって径方向に外向きに支えられ、数百年のプラズマスキンディープスにわたって長寿命な構造を形成する。
• ドライバータイプ（レーザーまたは粒子ビーム）にかかわらず、ウェークフィールド構造が普遍的であるため、イオンウェークの進化はその影響を受けない。
• イオンウェークは、各パルス後のプラズマの緩和時間を規定することで、プラズマ加速器の繰り返しレートを制限する。
• 'クランチイン'領域は、イオンウェークによって可能となり、ウェークフィールド破壊場に相当する強力で線形径方向焦点化場を支える。これは、陽電子ビーム輸送にとって不可欠である。