[論文レビュー] Plasma based helical undulator for controlled emission of circularly and elliptically polarised betatron radiationJ. Vieira, J. Martins, U. Sinha

J. Vieira, J. L. Martins+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、円偏光または楕円偏光レーザー駆動源を用いて、制御可能で高極化度のベタトロンX線を生成するプラズマベースのヘリカルアンジュレータを提案する。イオン化注入を介して電子ビームにヘリカルなベタトロン振動を強制することで、放射される放射線のうち最大40％が円偏光化され、レーザーの偏光状態を制御することにより、円偏光光子の度合いと放射率を調整可能となる。これにより、超高速かつ高分解能なイメージングおよび物質科学分野における新たな応用が可能となる。

ABSTRACT

We explore a plasma based analogue of a helical undulator capable of providing circularly and elliptically polarised betatron radiation. We focus on ionisation injection configurations and in the conditions where the laser pulse driver can force collective betatron oscillations over the whole trapped electron bunch. With an analytical model and by employing three dimensional simulations and radiation calculations, we find that circularly or elliptically polarised laser drivers can force helical betatron oscillations, which produce circularly/elliptically polarised betatron x-rays. We assess the level of polarisation numerically and analytically, and find that the number of circularly polarised photons can be controlled by tuning the laser pulse driver polarisation. We show the production of betatron radiation that is circularly polarised up to < 40% close to regions of maximum photon flux. The total flux of circularly polarised betatron radiation drops for elliptically polarised drivers, and is negligible when using linear polarisation. Our results can be tested today in current experimental facilities.

研究の動機と目的

• 円偏光および楕円偏光のベタトロン放射を生成するための磁気ヘリカルアンジュレータの代替として、プラズマベースの手法を開発すること。
• プラズマ加速器において、レーザーの偏光状態が円偏光X線の度合いと放射率に与える影響を実証すること。
• 偏光X線を用いた生物学的および磁性材料の超高速かつ高分解能イメージングのための新たな応用を可能とすること。
• 現在のレーザーおよびプラズマ加速器施設で利用可能な技術を用いて、実験的に検証可能な、実現可能性のあるスキームを提供すること。
• 電子軌道の幾何学的形状および縦方向の加速が、円偏光度に与える影響を解明すること。

提案手法

• 三次元OSIRIS粒子-セル法シミュレーションを用いて、円偏光または楕円偏光レーザー駆動下でのイオン化注入シナリオにおける電子ダイナミクスをモデル化する。
• 相対論的放射エネルギー放出式（Liénard-Wiechertポテンシャル）を適用し、ヘリカル運動を行う相対論的電子が放射する電場を計算する。
• jRad放射コードを用いて、空間的およびスペクトル的分布の計算を実施し、偏光解析に用いるストークスパラメータを含む放射の分布を算出する。
• ストークスパラメータ $ P_c = \frac{S_3}{S_0} $ を用いて円偏光度を定義する。ここで $ S_3 $ は円偏光成分を表す。
• レーザー駆動源の楕円度角 $ \varphi $ を調整することで、円偏光放射のヘリシティ（右回り・左回り）と強度を制御する。
• 横断的検出器面にわたる放射フラックスを統合し、$ \varphi $ の関数として、全円偏光光子出力の定量的評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマベースのシステムは、円偏光ベタトロン放射を生成するためのヘリカルアンジュレータの機能を再現可能か？
• RQ2 レーザー駆動源の偏光状態は、円偏光X線の度合いと放射率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 現実的な条件下で、プラズマベースのベタトロン放射において到達可能な最大円偏光度はどの程度か？
• RQ4 レーザー偏光の調整により、円偏光光子の空間的分布および数を正確に制御可能か？
• RQ5 縦方向の電子加速およびエネルギー分散は、放射ビームの最終的な円偏光度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 円偏光レーザー駆動源を用いた場合、光子放射率が最大となる領域近くで、ベタトロン放射の円偏光度が最大で約40％に達する。
• 円偏光レーザー駆動源（$ \varphi = \pm \pi/2 $）で円偏光光子の放射率が最大となり、楕円偏光では著しく低下し、線形偏光（$ \varphi = 0 $）では無視できるほど小さくなる。
• 全円偏光X線放射率は、レーザー駆動源の楕円度角 $ \varphi $ に比例するため、円偏光光子の数を精密に制御可能である。
• 個々の電子軌道はほぼ100％の円偏光を示すが、放射放出における位相差の影響により、ビーム平均の偏光度は低下する。
• エネルギー分散が狭い（高モノクロマティックな）電子ビームは、円偏光度を顕著に向上させることができ、より高い偏光度を達成するための道筋を示唆している。
• 本スキームは、現在のレーザーおよびプラズマ加速器施設を用いて実験的に実現可能であり、即時の検証と実証が可能である。