[논문 리뷰] Plasma Wakefield Accelerator Research 2019 - 2040: A community-driven UK roadmap compiled by the Plasma Wakefield Accelerator Steering Committee (PWASC)

B. Hidding, S. M. Hooker외 10명|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|2019. 04. 19.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 영국 로드맵은 2019년에서 2040년까지 플라즈마 웨이브필드 가속기 연구를 발전시키기 위한 전략적 비전을 제시하며, 레이저 및 빔 기반 플라즈마 가속기를 통합적으로 투자하여 소형이고 고기울기의 입자 및 복사원을 실현합니다. 이는 시설 구축, 국제 협력, 다기관 자금 지원을 강조하여 초고속 과학, 의학, 고에너지 물리학 분야에서 다음 세대 가속기 과학 분야에서 영국을 글로벌 리더로 위치시키는 데 목적이 있습니다.

ABSTRACT

The acceleration gradients generated in a laser- or beam-driven plasma wakefield accelerator are typically three orders of magnitude greater than those produced by a conventional accelerator, and hence plasma accelerators can open a route to a new generation of very compact machines. In addition, plasma-based accelerators can generate beams with unique properties, such as tens of kiloamp peak currents, attosecond bunch duration, ultrahigh brightness and intrinsic particle beam-laser pulse synchronization. In this roadmap we review the status of plasma accelerator research in the UK. We outline potential applications, describe the research and development required to enable those applications, and discuss synergies with related areas of research. We also set-out the resources required to realise these ambitions and provide a timeline for advances in the key areas.

연구 동기 및 목표

• 국내 투자 부족과 증가하는 국제 경쟁으로 인한 영국의 플라즈마 가속기 연구 분야에서의 지배력 감소 위협을 해결하기 위해.
• 영국의 대학, 국립연구소 및 기관 연구자들로 구성된 플라즈마 웨이브필드 가속기 분야의 성장하는 공동체를 통합된 전략적 로드맵을 통해 조율하기 위해.
• 소형이고 고광도의 플라즈마 가속기를 발전시켜 초고속 과학, 의료 진단 및 고에너지 물리학 분야에서 혁신적인 적용을 실현하기 위해.
• EuPRAXIA, AWAKE, FACET-II와 같은 주요 국제 프로젝트에서 영국이 주도적인 역할을 유지하기 위해 전략적 투자와 협력을 통해 지원하기 위해.
• 신규 가속기 기술 분야에서 박사 과정 연구자 및 초년 기간 연구자들을 위한 지속 가능한 교육, 이동성 및 자금 지원 메커니즘을 구축하기 위해.

제안 방법

• 영국의 대학, 국립연구소(예: CLF, ASTeC) 및 가속기 연구소 간 연구를 조율하기 위해 국가 차원의 플라즈마 웨이브필드 가속기 조정위원회(PWASC)를 설립하기 위해.
• 영국의 고평균 출력 레이저 기술 전문성을 활용하여, 반복률 10 Hz 이상, 빔 안정성이 확보된 최신 기술 수준의 레이저-플라즈마 가속기 시설을 중앙 레이저 시설(CLF)에 구축하기 위해.
• 기초 연구 및 응용 분야를 위한 대학 규모의 레이저-플라즈마 가속기 실험실(예: SCAPA 빔라인)의 구축 및 운영을 지원하기 위해.
• 빔 역학 및 응용 연구를 고정밀도로 수행할 수 있도록 CLARA/ASTeC에 전용 플라즈마 웨이브필드 빔라인을 제안하기 위해.
• AWAKE Run 2(2021–2024) 및 유럽 전역 협력 프로젝트인 EuPRAXIA와 같은 주요 국제 프로그램에 대한 정기적 자금 지원 확보 및 증대를 위해.
• UKRI를 통해 다기관 자금 지원 메커니즘을 구축하여 플라즈마 물리학, 신규 레이저 개발, 응용 중심 혁신에 이르기까지 다학제적 연구를 지원하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국내 인프라 부족과 증가하는 국제 투자 속에서 영국이 플라즈마 웨이브필드 가속기 연구 분야에서 글로벌 리더십을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가요?
• RQ2 과학적 및 산업적 응용을 위해 레이저 및 빔 기반 플라즈마 가속기의 안정적이고 고반복률 운용을 가능하게 하기 위해 필요한 국립 및 기관 수준의 시설은 무엇인가요?
• RQ3 EuPRAXIA, AWAKE, FACET-II와 같은 주요 국제 프로젝트에 전략적으로 참여함으로써 영국이 최대 영향력을 발휘할 수 있는 방법은 무엇인가요?
• RQ4 다음 세대 연구자 양성 및 영국 내 기관 간 지식 이관을 보장하기 위해 필요한 기관 및 자금 지원 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ5 플라즈마 가속기 R&D 전반(기초 플라즈마 물리학에서 응용 기술에 이르기까지)을 지원하기 위해 다기관 협업을 어떻게 구성할 수 있을까요?

주요 결과

• 플라즈마 웨이브필드 가속기는 기존 가속기보다 약 3개 온도 높은 가속 기울기를 달성할 수 있으며, 이는 센티미터 수준의 단계에서 기가전자볼트(GeV) 수준의 전자 빔을 생성할 수 있음을 의미합니다.
• 영국은 플라즈마 가속기 연구 분야에서 강력한 국제적 위상을 지니고 있지만, 이 위치는 국내 투자 및 인프라 부족으로 인해 위협받고 있습니다.
• 반복률이 10 Hz 이상이고 빔 안정성이 확보된 새로운 시설이 중앙 레이저 시설(CLF)에 구축되어야 레이저 기반 플라즈마 가속기 연구가 더욱 발전할 수 있습니다.
• AWAKE Run 2 프로그램(2021–2024)에 대한 지원은 영국이 빔 기반 플라즈마 가속기 분야에서 리더십을 유지하고 고에너지 물리학 응용에 접근하기 위해 필수적입니다.
• 국가 수준의