[論文レビュー] Positron Acceleration in an Elongated Bubble Regime

Tianhong Wang, Vladimir Khudik+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、プラズマウェイクフィールドにおけるロバストで高品質な陽電子加速のための、延長バブル加速（ELBA）規制を提案する。一次ドライバの後方に短い電子ビームを注入することで、プラズマバブルの後端が延長され、線形焦点化場と加速場が同時に存在する領域が形成される。三次元PICシミュレーションにより、2.1%のエミッタンス増大で16.5 GeVまでエミッタンスを保ったまま陽電子加速が可能であることが示され、変換比は0.8に達する。

ABSTRACT

A new concept is proposed for accelerating positrons in a nonlinear plasma wakefield accelerator. By loading the wakefield (back of the plasma bubble) with a short electron bunch, an extended area of excessive plasma electron accumulation is created after the first bubble, resulting in a favorable region with simultaneous focusing and accelerating fields for positrons. Scaling laws for optimized loading parameters are obtained through extensive parameters scans. Owing to the good quality of the focusing field, positron acceleration with emittance preservation can be achieved in this new regime and it has been demonstrated in the three-dimensional particle-in-cell simulations.

研究の動機と目的

• 非線形プラズマウェイクフィールド規制において、従来のバブル規制が適切な焦点化場を欠いているという課題に対処すること。
• ハロー型ドライバーや有限なプラズマコア、陽電子ドライバーなどの既存の陽電子加速スキームの制限を克服し、特異なビームやプラズマプロファイルに依存しない安定的で高品質な焦点化構造を実現すること。
• 二つの電子ビームドライバ構成が、バブル後端における電子ローディングを通じて、陽電子に適した延長された加速領域を形成できることを示すこと。
• 非線形ブロー・アウト規制においてエミッタンスを保ったまま陽電子加速を達成し、準線形または線形規制における非効率さや位相非整合の問題を回避すること。
• 既存のドライバービーム技術を用いて、将来のプラズマベースのレプトン衝突機にスケーラブルかつ実験的に実現可能な道筋を確立すること。

提案手法

• ELBAスキームは、一次の相対論的電子ビームで非線形プラズマバブルを励起し、その後に制御された遅延で短く高電荷の二次電子ビームを注入する。
• 追従する電子ビームがバブルの後端にロードされ、プラズマ電子の流れが減速し、バブルの自然な長さを超えて電子の蓄積領域が延長される。
• この延長された電子蓄積は、第二のバブルの前半部に強い線形横方向焦点化場を形成し、陽電子ビームの品質維持に最適な環境を提供する。
• 本手法は、フィールド構造とビームダイナミクスの検証のため、WAND-PICおよびVLPL-3Dコードを用いた三次元PICシミュレーションに依存する。
• 焦点化場は $F_x = E_x - B_y$ で特徴づけられ、加速場は $E_z$ で表され、これらの場が延長領域で重なることで安定な陽電子加速が可能になる。
• 最適なローディングパラメータ（電荷、持続時間、間隔）を最適化するためのスケーリング則は、広範なパラメータスキャンから導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特異なドライバーやプラズマプロファイルに依存せず、非線形プラズマウェイクフィールドにおいて安定的で高品質な焦点化場を陽電子に形成できるか？
• RQ2 プラズマバブルの後端における電子ビームローディングが、加速場および焦点化場の延長にどのように影響を与えるか？
• RQ3 変換比を最大化し、エミッタンス増大を最小限に抑えるために最適なローディングパラメータ（電荷、持続時間、間隔）は何か？
• RQ4 電子ドライバーのみを用いて、完全な非線形ブロー・アウト規制においてエミッタンスを保ったまま陽電子加速を達成できるか？
• RQ5 特にエネルギー使用効率とビームコherーランスの観点から、ELBA規制は準線形または線形規制と比較してどれほど効率的で、ビーム品質に優れているか？

主な発見

• ELBA規制は、非線形ブロー・アウト規制において、同時に線形焦点化場と加速場を有する強固な延長領域を生成し、高品質な陽電子加速を可能にする。
• 三次元PICシミュレーションにより、15 cmの長さで陽電子ビームが16.5 GeVまで加速され、正規化横方向エミッタンスがわずか2.1%増加することが確認された。
• 変換比は0.8に達し、ドライバから陽電子ビームへのエネルギー転送が効率的であることが示され、ドライバのエネルギーの78%が利用された。
• 本スキームはドライバービームプロファイルに依存せず、ドライバービーム長を延長することで高い変換比を達成可能であることが、先行研究でも示されている。
• 焦点化場は約0.8 $k_p^{-1}$ の横方向サイズにわたり有効であり、理想的な線形領域外でも準マッチド陽電子ビームを支持できる。
• ELBAスキームは、準線形規制で見られるベータトロン位相非整合や低エネルギー効率（ドライバエネルギーの10%未満が有効に使用される）を回避する。