[논문 리뷰] Non-linear Ion-Wake Excitation by the Time-Asymmetric Electron Wakefields of Intense Energy Sources with applications to the Crunch-in regime

Aakash A. Sahai|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 12.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 강한 레이저 또는 입자 비임의 전자 버블에서 시간 대칭이 아닌 전자 웨이브필드가 플라즈마에서 장수명의 비선형 원통형 이온 솔리톤 웨이브필드를 유도하며, 이는 전자 버블 내의 반경 방향 전기장 비대칭성에 의해 발생한다. 이온 웨이브필드는 반경 방향으로 팽창하는 밀도 압축 채널을 형성하며, 전자 열 압력에 의해 유지되어 플라즈마 가속기의 반복 주기를 제한하고, 강한 선형 반경 방향 집속장에 의해 '크런치인' 영역에서 양전자 가속화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

A model for the excitation of a non-linear ion-wake mode by a train of plasma electron oscillations in the non-linear time-asymmetric regime is developed using analytical theory and particle-in-cell based computational solutions. The ion-wake is shown to be a driven non-linear ion-acoustic wave in the form of a cylindrical ion-soliton. The near-void and radially-outwards propagating ion-wake channel of a few plasma skin-depth radius, is explored for application to "Crunch-in" regime of positron acceleration. The coupling from the electron wakefield mode to the ion-mode dictates the long-term evolution of the plasma and the time for its relaxation back to an equilibrium, limiting the repetition-rate of a plasma accelerator. Using an analytical model it is shown that it is the time asymmetric phases of the oscillating radial electric fields of the nearly-stationary electron bubble that excite time-averaged inertial ion motion radially. The electron compression in the back of the bubble sucks-in the ions whereas the space-charge within the bubble cavity expels them, driving a cylindrical ion-soliton structure with on-axis and bubble-edge density-spikes. Once formed, the channel-edge density-spike is sustained over the length of the plasma and driven radially outwards by the thermal pressure of the wake energy in electrons. Its channel-like structure is independent of the energy-source, electromagnetic wave or particle beam, driving the bubble electron wake. Particle-In-Cell simulations are used to study the ion-wake soliton structure, its driven propagation and its use for positron acceleration in the "Crunch-in" regime.

연구 동기 및 목표

• 강한 드라이버 펄스 이후 플라즈마 웨이브필드 가속기에서 장기적인 이온 역학을 이해하기 위해.
• 시간 대칭이 아닌 전자 웨이브필드가 비선형 이온 웨이브모드를 유도하는 메커니즘을 규명하기 위해.
• 원통형 이온 솔리톤의 형성과 진화를 모델링하여 플라즈마 회복 및 반복 주기 제한의 주요 원인으로서의 역할을 분석하기 위해.
• 이 이온 웨이브 구조를 '크런치인' 영역에서의 양전자 가속화에 적용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 전자 웨이브필드 에너지에서 비선형 이온 음파 모드로의 결합 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 거의 정지해 있는 전자 버블에서 유도된 시간 비대칭 반경 방향 전기장 하에서 이온 역학의 분석적 모델링.
• 비선형 이온 솔리톤 구조와 수백 개의 플라즈마 스킨 디프스를 초월하는 추진력에 의해 유도되는 파급을 해결하기 위해 입자-장 기반 (PIC) 시뮬레이션의 사용.
• 장기적인 트레인 역학으로의 외삽을 위해 단일 버블 근사 모델링의 적용.
• 전자 웨이브필드, 휘두름 운동 에너지, 이온 모드 진동 사이의 에너지 분할 분석.
• 전자 열 압력과 반경 방향 팽창 역학을 통한 이온 웨이브 지속 가능성 평가.
• 빔 로딩 효과 유무에 따라 비선형 전자 진동 하에서의 이온 웨이브 진화 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 비대칭 전자 웨이브필드의 구조는 플라즈마에서 비선형 이온 웨이브를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 전자 버블 뒤에 지속 가능한 원통형 이온 솔리톤이 형성되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이온 웨이브 구조는 플라즈마 기반 가속기의 회복 시간과 반복 주기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전자 열 압력은 이온 웨이브 채널의 반경 방향 팽창을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이온 웨이브는 강한 선형 반경 방향 집속장에 의해 '크런치인' 영역을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 시간 비대칭 반경 방향 전기장에 의해 전자 버블 뒤에 비선형 원통형 이온 솔리톤이 형성되며, 반경은 약 4c/ωpe이다.
• 이온 웨이브 채널은 축 중심과 버블 가장자리에서 밀도 피크를 나타내며, δni/n0 > 1로 강한 이온 압축을 나타낸다.
• 전자 열 압력에 의해 반경 방향으로 외부로 유지되는 이온 솔리톤은 수백 개의 플라즈마 스킨 디프스에 걸쳐 장수명의 구조를 형성한다.
• 드라이버 유형(레이저 또는 입자 비임)에 관계없이 동일한 웨이브필드 구조를 가지므로 이온 웨이브 진화는 드라이버 유형과 독립적이다.
• 이온 웨이브는 각 펄스 이후 플라즈마 회복 시간을 결정함으로써 플라즈마 가속기의 반복 주기를 제한한다.
• '크런치인' 영역은 이온 웨이브에 의해 가능해지며, 이는 웨이브필드 붕괴장의 주요 수준인 강력한 선형 반경 방향 집속장을 지속 가능하게 한다. 이는 양전자 빔 운반에 필수적이다.