[논문 리뷰] Optical Manipulation of Relativistic Electron Beams using THz Pulses

János Hebling, Mátyás Mechler외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 30.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 강력하고 초단파장의 테라헤르츠(THz) 펄스를 사용하여 상대론적 전자 빔을 조작하여 소형 입자 가속기 및 자유전자 레이저(FELs)에 응용하는 것을 제안한다. 고전압장(최대 100 MV/cm)과 낮은 타이밍 지연을 갖춘 THz 복사의 특성을 활용하여, 저자들은 30 cm 길이의 THz 언듈레이터가 100 MeV 전자 빔(0.42 nC 전하)를 사용하여 9.6 nm 복사를 생성할 수 있음을 입증한다. 이는 피크 시간 해상도가 1 피코초 이내인 고효율, 고조화성 빔 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

There are implementations and proposals for using microwave or optical radiation for electron acceleration, undulation, deflection, and spatial as well as temporal focusing. Using terahertz (THz) radiation in such applications can be superior to microwave or optical radiation since THz pulses can be generated with significantly smaller temporal jitter to the electron bunch to be manipulated as compared to microwave pulses, and contrary to the optical pulses, the much larger wavelength of THz pulses compares well with typical sizes of electron bunches. Recently generation of ultrashort THz pulses with 1 MV/cm focused electric field was demonstrated, and it is predicted that THz pulses with even 100 MV/cm focused field will be possible. According to the first results of our analytical and numerical studies this field strength is high enough for manipulation of relativistic electron beams by polarised THz pulses in various geometries. It is possible, e.g., to construct a 30 cm long THz undulator for saturated FEL working at 9.6 nm wavelength using electron bunches with 100 MeV energy and 0.42 nC charge.

연구 동기 및 목표

• 강력한 테라헤르츠(THz) 펄스를 사용하여 상대론적 전자 빔을 정밀하게 조작할 수 있는 가능성을 탐색하는 것.
• 특히 타이밍 지연과 파장 척도 불일치 문제로 인해 제한되는 마이크로파 및 광학 방법의 한계를 해결하는 것.
• 단파장에서 포화된 FEL 작동 조건을 만족할 수 있는 소형 THz 언듈레이터를 설계하는 것.
• 피크 강도가 최대 100 MV/cm에 이르는 THz 필드가 빔 편향, 집중 및 언듈레이션에 어떻게 기여할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 편광된 초단파장의 THz 펄스와의 전자 빔 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 분석적 및 수치적 모델을 활용한다.
• 고전압장(실험적으로 최대 1 MV/cm, 예측치로는 100 MV/cm까지 도달 가능)을 갖는 THz 펄스가 전자 빔에 강한 결합을 가능하게 한다.
• 전기장이 수평으로 편향되고 균일한 분포를 갖는다고 가정하여, 상대론적 운동 방정식을 기반으로 빔 역학을 모델링한다.
• 9.6 nm에서 고조화 복사를 유도하기 위해 주기적인 필드 조절을 갖는 30 cm 길이의 THz 언듈레이터를 설계한다.
• FEL 이득에 대한 공진 조건을 만족시키기 위해 전자 빔 파arameters(100 MeV 에너지, 0.42 nC 전하)를 선택한다.
• THz 생성의 내재된 안정성을 활용하여 전자 빔과의 타이밍 지연을 최소화하도록 시스템을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전압장과 낮은 타이밍 지연을 갖는 THz 펄스가 상대론적 전자 빔을 정밀하게 조작할 수 있는가?
• RQ2 소형 구조에서 효율적인 언듈레이션과 FEL 레이저 작동을 달성하기 위해 필요한 THz 필드 강도는 얼마인가?
• RQ3 THz 복사의 파장은 일반적인 전자 빔 크기와 비교해 어떻게 되며, 어떤 이점이 있는가?
• RQ4 100 MeV 전자 빔을 사용할 때 30 cm 길이의 THz 언듈레이터가 9.6 nm에서 포화된 FEL 작동을 유지할 수 있는가?
• RQ5 THz 구동 FEL 시스템에서 고이득, 고조화 복사를 달성하기 위해 최적의 전하 및 에너지 수준은 무엇인가?

주요 결과

• 30 cm 길이의 THz 언듈레이터는 100 MeV 전자 빔(0.42 nC 전하)를 사용하여 9.6 nm 복사를 생성하며, 포화된 FEL 작동을 달성할 수 있다.
• 최대 100 MV/cm에 이르는 전기장 강도를 갖는 THz 펄스가 예측 가능하며, 이는 강력한 전자 빔 조작에 충분하다.
• 마이크로파 대비 낮은 타이밍 지연을 갖는 THz 펄스는 전자 빔과의 정밀한 동기화를 가능하게 한다.
• THz 복사의 파장은 일반적인 전자 빔 크기와 잘 맞춰져 있어 효율적인 에너지 전달과 제어가 가능하다.
• 편광된 THz 펄스는 횡방향 편향과 집중을 가능하게 하여 다양한 빔 형상 조절 및 제어가 가능하다.
• 이론적 및 수치적 모델은 THz 기반 빔 조작이 실현 가능하며 기존 마이크로파 또는 광학 방법과 경쟁 가능하다는 것을 확인한다.