[論文レビュー] Tunable Electron Multibunch Production in Plasma Wakefield Accelerators

B. Hidding, O. Karger+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2014

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、1つのプラズマキャビティ内で、同期化され、焦点を合わせたレーザーパルスを用いて、任意に電子集束をイオン化することで、調整可能でマルチ・バンチの電子ビームを生成するプラズマウェークフィールド加速器の実証を行っている。共動フレームにおけるレーザー焦点とフォトカソード位置を制御することにより、空間的に重なり合う独立して調整可能なバンチを生成し、超高輝度で高品質なビームを実現した。これにより、マルチカラー自由電子レーザー（FEL）の前例のない構成が可能になった。

ABSTRACT

Synchronized, independently tunable and focused $μ$J-class laser pulses are used to release multiple electron populations via photo-ionization inside an electron-beam driven plasma wave. By varying the laser foci in the laboratory frame and the position of the underdense photocathodes in the co-moving frame, the delays between the produced bunches and their energies are adjusted. The resulting multibunches have ultra-high quality and brightness, allowing for hitherto impossible bunch configurations such as spatially overlapping bunch populations with strictly separated energies, which opens up a new regime for light sources such as free-electron-lasers.

研究の動機と目的

• 1つのプラズマウェークフィールドキャビティ内に複数の独立して調整可能な電子バンチを生成する手法の開発。
• 共動フレーム内でのレーザー駆動イオン化を用いて、バンチエネルギー、タイミング、空間的重なりの精密制御。
• 次世代の光源（自由電子レーザー（FEL）など）に適した超高輝度で高品質な電子バンチの生成。
• 従来のプラズマ加速器では達成できなかった、空間的に重なり合うがエネルギーが分離されたバンチを含む、特異なビーム配置の実現。
• プラズマ加速電子ビームを用いたマルチバンチ・マルチカラーFEL動作の実現可能性の実証。

提案手法

• ビーム駆動プラズマウェークフィールドにおける電子生成および加速をモデル化するため、VSIMコードを用いた3次元粒子-場（PIC）シミュレーションの実施。
• 高周波成分の解像を回避するため、レーザーパルスにエンVELOP近似を適用し、数cmにわたる距離での効率的シミュレーションを可能にした。
• 長期間のバンチダイナミクスとエネルギー増幅に注目し、プラズマ波生成を静的駆動ビーム電流でモデル化。
• 局所的電子放出を可能にする「トロイの馬」フォトカソード方式を採用し、低イオン化関門（LIT）および高イオン化関門（HIT）のプラズマ成分を用いた。
• 実験フレームにおけるレーザー焦点位置と共動フレーム内での放出位置を調整することで、バンチタイミングとエネルギーを独立して制御。
• LIT成分としてLi、HIT成分としてLi+を用い、プラズマウェークフィールド内での電子イオン化およびその後の加速をシミュレート。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのプラズマウェークフィールドキャビティ内に、独立して調整可能な複数の電子バンチを同時に生成可能か？
• RQ2 プラズマウェークフィールド内でのレーザー駆動イオン化により、空間的に重なり合うがエネルギーが厳密に分離された電子バンチを生成可能か？
• RQ3 共動フレーム内でのレーザー焦点位置および放出位置の制御により、バンチエネルギー、タイミング、発散角（エミッタンス）のどの程度の制御が可能か？
• RQ4 本手法により、FEL用途に適した超高輝度で低エミッタンスの電子バンチを実現可能か？
• RQ5 このようなマルチバンチ構成のFEL性能特性、特に増幅利得および発振効率に関して、どのような特徴を示すか？

主な発見

• 中心エネルギーがそれぞれ961、294、537 MeVの三バンチ電子ビームが成功裏に生成され、独立したエネルギー調整が可能であることを実証した。
• 各バンチの正規化エミッタンスは0.33、0.37、0.19 mm-mRadであり、すべてFEL発振の閾値であるλr⟨γ⟩/4π未満に位置し、FELクラスの品質を確認した。
• 最低エネルギーのバンチ（B2、294 MeV）は、長方向位相空間で約10 μmから約100 μmに伸び、スライスエネルギー分散が低減され、FEL発振が可能になった。
• ウンドゥレーターに沿って約140 μmの位置でFEL発振が観測され、ピークスペクトルパワーがω/ω2 ≈ 1に位置し、正常な発振開始が確認された。
• ω/ω2 ≈ 4および13のスペクトル発光は、それぞれ高エネルギーのバンチB3およびB1からの自発的発光に起因しており、確認された。
• 本手法により、ヘリウムなどの低イオン化関門媒体を用いることで、エミッタンスを1桁程度低減可能な、マルチバンチ・マルチカラーFELの新規な運用領域が実現可能である。