[논문 리뷰] Design of a multi-channel photonic crystal dielectric laser accelerator

Zhexin Zhao, Dylan S. Black외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 27.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 레이저 소스를 사용하여 다중 전자 빔을 동시에 가속화할 수 있는 다중채널 광결정 유전체 레이저 가속기(MIMOSA)를 제안한다. 이는 총 전자 통량을 N 배로 증가시킨다. 전자 속도와 일치하는 정규화 주파수를 가진 Γ 점에서 위상 일치 모드를 지원하도록 광결정을 설계함으로써, 채널 간에 동일한 가속 필드를 확보하여, 최적의 빔 전하 조건에서 0.58%의 에너지 효율을 달성하고, 다중 빔 운영 시 최대 21%의 효율을 달성한다.

ABSTRACT

To be useful for most scientific and medical applications, compact particle accelerators will require much higher average current than enabled by current architectures. For this purpose, we propose a photonic crystal architecture for a dielectric laser accelerator, referred to as a multi-input multi-output silicon accelerator (MIMOSA), that enables simultaneous acceleration of multiple electron beams, increasing the total electron throughput by at least one order of magnitude. To achieve this, we show that the photonic crystal must support a mode at the $Γ$ point in reciprocal space, with a normalized frequency equal to the normalized speed of the phase matched electron. We show that the figure of merit of the MIMOSA can be inferred from the eigenmodes of the corresponding infinitely periodic structure, which provides a powerful approach to design such devices. Additionally, we extend the MIMOSA architecture to electron deflectors and other electron manipulation functionalities. These additional functionalities, combined with the increased electron throughput of these devices, permit all-optical on-chip manipulation of electron beams in a fully integrated architecture compatible with current fabrication technologies, which opens the way to unconventional electron beam shaping, imaging, and radiation generation.

연구 동기 및 목표

• 단일 채널 유전체 레이저 가속기(DLA)의 낮은 평균 전류 제한으로 인해 과학 및 의료 분야에서 실용적인 적용이 제한되는 문제를 해결한다.
• 기존 DLA에서의 마이크로미터 이하 폭의 전자 채널이 내재하는 전류 제한을 극복하기 위해 다중 병렬 전자 빔을 가능하게 한다.
• 기존 제조 기술과 호환되는 확장 가능한 통합 광결정 아키텍처를 설계하여 칩 내 전자 빔 조작을 가능하게 한다.
• 단일 다중채널 플랫폼을 통해 가속, 편향, 형상 조절을 포함한 고성능 전면 광학적 전자 빔 제어를 실현한다.
• 공간 전하 효과를 완화하기 위해 최적의 빔 전하 및 집중 조건을 식별함으로써 에너지 효율성과 빔 품질을 최적화한다.

제안 방법

• TM-편광 모드를 지지하기 위해 실리콘 기둥의 2차원 광결정을 사용한 다중입력 다중출력 실리콘 가속기(MIMOSA)를 설계한다.
• 전자 빔과 전자기 모드 간의 위상 일치를 확보하기 위해 Γ 점에서 정규화 주파수가 전자의 정규화된 위상 속도와 일치하는 광역대 모드를 요구한다.
• 무한한 정기적 광결정의 고유모드 분석을 통해 다중 채널 간의 도구 품질 지표 및 필드 균일도를 예측하고 최적화한다.
• 일반화된 고유모드 방법을 적용하여 모든 N개 채널에서 동일한 가속 필드를 달성하는 설계 규칙를 유도함으로써 빔 전류를 N 배로 증가시킨다.
• 공간 전하 효과 하에서 에미턴스 증가 및 전송 효율을 평가하기 위해 일반 입자 추적(GPT) 코드를 사용해 빔 역학을 시뮬레이션한다.
• 최적의 마이크로 빔 당 전하(2.18 fC)와 최대 효율(0.58%)을 계산하여 에너지 효율을 최적화하며, 37개 빔 트레인을 사용할 경우 21%의 효율이 가능할 것으로 예상된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광결정 DLA 아키텍처가 다중 전자 빔을 동일한 필드로 동시에 위상 일치된 가속화를 지원할 수 있는가?
• RQ2 레이저 구동 모드와 상대론적 전자 빔 간의 다중 채널에서의 위상 일치를 보장하기 위한 광결정 설계 기준은 무엇인가?
• RQ3 MIMOSA 아키텍처의 에너지 효율은 빔 전하와 트레인 내 마이크로 빔 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 마이크로미터 이하 폭의 가속 채널에서 공간 전하로 인한 에미턴스 증가를 억제하기 위해 필요한 외부 집중 강도는 얼마인가?
• RQ5 MIMOSA 플랫폼은 가속 및 편향을 포함한 통합 광학적 전자 빔 조작을 어느 정도 실현할 수 있는가?

주요 결과

• MIMOSA 설계는 전자의 위상 속도와 일치하는 정규화 주파수를 가진 Γ 점에서 광결정 모드를 설계함으로써 다중 채널 간 동일한 가속 필드를 달성한다.
• MIMOSA의 도구 품질 지표는 유한한 구조 시뮬레이션 없이도 무한한 정기적 구조의 고유모드 특성에 의해 결정되며, 예측 가능한 설계를 가능하게 한다.
• 최대 에너지 효율을 위한 최적의 빔 전하는 2.18 fC(마이크로 빔당 1.36×10⁴개 전자)이며, 이로 인해 피크 효율은 0.58%에 도달한다.
• 250 fs 펄스 내에 37개의 마이크로 빔 트레인을 사용할 경우, 장거리 웨이크 필드 효과가 무시 가능하다는 가정 하에 에너지 효율이 21%로 증가한다.
• 입자 추적 시뮬레이션 결과, 에미턴스 증가를 최소화하기 위해 3.8 kT의 솔레노이드 자기장이 필요하며, 레이저 유도 편향 집중 기법도 타당한 대안이 된다.
• 중앙 채널의 시뮬레이션 결과는 대칭적인 필드 분포로 인해 모든 세 채널의 성능이 균일함을 확인하여 다중 채널 아키텍처의 균일한 성능을 뒷받침한다.