[논문 리뷰] Multi-GeV electron bunches from an all-optical laser wakefield accelerator

B. Miao, J. E. Shrock외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 07.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 20cm 거리에 걸쳐 저밀도 수소 기체 제트에서 15 J, 45 fs 레이저 펄스를 자가파면유도 방식으로 사용하여 완전히 온-옵티컬 레이저 웨이브패시브 액celerator에서 다수 기가전자볼트(electron bunches)를 생성함을 보여준다. 이 시스템은 최대 25 GeV/m의 가속도 기울기를 달성하여 최대 5 GeV의 에너지를 가진 전자를 생성하며, 전하량 ≥10 pC이고, 약 15%의 상대 에너지 너비를 갖는 준일차원 스펙트럼을 제공한다. 이는 자가형성된 플라즈마 웨이브가이드에 의해 가능해졌으며, 펌프 소모에 의한 탈진에 의해 제한된다.

ABSTRACT

We present the first demonstration of multi-GeV laser wakefield acceleration in a fully optically formed plasma waveguide, with an acceleration gradient as high as 25 GeV/m. The guide was formed via self-waveguiding of <15 J, 45 fs (

연구 동기 및 목표

• 외부 플라즈마 웨이브가이드 없이 완전히 온-옵티컬 레이저 웨이브패시브 액셀레이터에서 다수 기가전자볼트 전자 가속을 구현하는 것.
• 저밀도 수소 기체 제트에서 자가파면유도 레이저 펄스를 사용하여 고기울기 가속을 달성하는 것.
• 레이저 조준 안정성과 기체 제트의 균일성이 전자 빔 품질 및 스펙트럼의 스파크 간 재현성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 장거리 레이저 유도에서 펌프 소모가 탈진을 유도하고 에너지 수확에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 것.

제안 방법

• 저밀도 수소 기체 제트에서 15 J, 45 fs 레이저 펄스의 자가파면유도를 통해 20 cm 거리에 플라즈마 웨이브가이드를 형성하는 것.
• 자기형성 웨이브가이드에 레이저 펄스를 주입하여 플라즈마 웨이브패시브를 유도하고 전자 가속을 수행하는 것.
• 1000 nm 레이저 시스템을 사용하여 300 TW의 피크 전력으로 웨이브패시브를 구동하고 고기울기 가속을 달성하는 것.
• 전자 에너지 스펙트럼, 전하량, 분산도를 측정하여 빔 품질과 안정성을 평가하는 것.
• 에너지 수확에 대한 영향을 연구하기 위해 축 중심 플라즈마 밀도를 1.3–3.2×10¹⁷ cm⁻³ 범위에서 체계적으로 변화시키는 것.
• 레이저 조준 및 기체 제트의 균일성에 따른 스파크 간 스펙트럼 및 전하 안정성 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기형성 플라즈마 웨이브가이드를 사용하는 완전히 온-옵티컬 레이저 웨이브패시브 액셀레이터에서 다수 기가전자볼트 전자 빔을 생성할 수 있는가?
• RQ2 축 중심 플라즈마 밀도는 가속된 전자의 에너지 수확과 스펙트럼 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 레이저 조준 안정성과 기체 제트의 균일성이 전자 빔 스펙트럼 및 전하의 재현성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 펌프 소모가 장거리 레이저 유도에서 에너지 수확을 제한하고 탈진을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 외부 가이드 없이 자가파면유도 구조에서 25 GeV/m를 초과하는 가속도 기울기를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 15 J, 45 fs 레이저 펄스를 사용하여 자가형성 플라즈마 웨이브가이드에서 최대 25 GeV/m의 피크 가속도 기울기를 달성하였다.
• 전자 빔은 최대 5 GeV의 에너지를 가지며, 준일차원 피크와 약 15%의 상대 에너지 너비를 보였다.
• 전하량은 최소 약 10 pC로 측정되었으며, 최적의 레이저 조준 및 기체 제트 균일성 조건에서 안정적인 빔이 관측되었다.
• 에너지 수확은 1.3–3.2×10¹⁷ cm⁻³ 범위의 축 중심 플라즈마 밀도와 반비례하는 것으로 나타났다.
• 레이저 조준 이격 및 비균일한 기체 제트로 인해 스파크 간 스펙트럼 및 전하 안정성이 뚜렷하게 악화되었다.
• 펌프 소모에 의한 탈진 현상이 관측되었으며, 이는 장거리 광학 유도 거리로 인해 최대 에너지 수확이 제한되었다.