[논문 리뷰] Tunable Electron Multibunch Production in Plasma Wakefield Accelerators

B. Hidding, O. Karger외 16명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 05.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단일 플라즈마 웨이브패ลด 캐비티 내에서 원하는 위치에 전자 집단을 이온화할 수 있도록 동기화되고 집중된 레이저 펄스를 사용하여 조절 가능한 다중 빔 전자 기수를 플라즈마 웨이브패ลด 가속기에서 생성하는 것을 보여준다. 공동 운동 프레임에서 레이저 집중과 광음극 위치를 제어함으로써, 공간적으로 겹치는 독립적으로 조절 가능한 기수를 초고휘도 및 고품질로 생성할 수 있으며, 이는 다색 자유전자 레이저를 위한 사전에 없었던 구성 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Synchronized, independently tunable and focused $μ$J-class laser pulses are used to release multiple electron populations via photo-ionization inside an electron-beam driven plasma wave. By varying the laser foci in the laboratory frame and the position of the underdense photocathodes in the co-moving frame, the delays between the produced bunches and their energies are adjusted. The resulting multibunches have ultra-high quality and brightness, allowing for hitherto impossible bunch configurations such as spatially overlapping bunch populations with strictly separated energies, which opens up a new regime for light sources such as free-electron-lasers.

연구 동기 및 목표

• 단일 플라즈마 웨이브패ลด 캐비티 내에서 다수의 독립적으로 조절 가능한 전자 기수를 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 공동 운동 프레임에서 레이저 구동 이온화를 사용하여 기수 에너지, 타이밍, 공간적 겹침을 정밀하게 제어하기 위해.
• 다음 세대 빛원천, 예를 들어 자유전자 레이저(FEL)에 적합한 초고휘도 및 고품질의 전자 기수를 생성하기 위해.
• 플라즈마 가속기에서 이전에 이룰 수 없었던 공간적으로 겹치고 에너지가 분리된 기수와 같은 독특한 기수 구성 가능성을 제공하기 위해.
• 플라즈마 가속 전자 기수를 사용하여 다중 기수, 다색 FEL 작동의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 3D 입자-셀(PI) 시뮬레이션을 사용하여 빔 구동 플라즈마 웨이브패ลด 내 전자 생성 및 가속을 모델링하기 위해 VSIM 코드를 활용한다.
• 고주파 진동을 해결하지 않기 위해 레이저 펄스에 대해 환경 근사법을 적용하여 수 센티미터 거리에 걸쳐 효율적인 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 장기적인 기수 역학 및 에너지 증가에 중점을 두기 위해 플라즈마 웨이브 생성을 위한 정적 드라이브 빔 전류를 사용한다.
• 국소적 전자 방출을 가능하게 하기 위해 저이온화 임계값(LIT) 및 고이온화 임계값(HIT) 플라즈마 성분을 포함한 '트로이의 말' 광음극 기법을 활용한다.
• 실험실 프레임에서의 레이저 집중 위치와 공동 운동 프레임에서의 방출 위치를 조절하여 기수 타이밍과 에너지를 독립적으로 제어한다.
• LIT 성분으로 리튬(Li)을, HIT 성분으로 리튬 이온(Li+)을 사용하여 플라즈마 웨이브패ลด 내 전자 이온화 및 그 후 가속을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 플라즈마 웨이브패ลด 캐비티 내에서 독립적으로 조절 가능한 다수의 전자 기수를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 플라즈마 웨이브패ลด에서 레이저 구동 이온화를 사용하여 공간적으로 겹치는 기수이지만 에너지가 엄격히 분리된 전자 기수를 생성할 수 있는가?
• RQ3 공동 운동 프레임에서 레이저 집중과 방출 위치를 조절함으로써 기수 에너지, 타이밍, 및 발산도는 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ4 이 방법을 통해 FEL 응용을 위한 초고휘도 및 저발산도 전자 기수를 달성할 수 있는가?
• RQ5 다중 기수 구성의 FEL 성능 특성, 특히 이득 및 레이저 효율 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 각각 961, 294, 537 MeV의 중심 에너지를 가진 삼중 기수 전자 기수를 성공적으로 생성하여 독립적인 에너지 조절 가능성을 입증하였다.
• 기수의 정규화된 발산도는 각각 0.33, 0.37, 0.19 mm-mRad로 모두 FEL 레이저 조건인 λr⟨γ⟩/4π 이하였으며, FEL 수준의 품질을 확인하였다.
• 가장 낮은 에너지 기수(B2, 294 MeV)는 종방향 위상공간에서 약 10 μm 에서 약 100 μm로 확장되어 슬라이스 에너지 분포가 감소하였으며, FEL 레이저 작동이 가능하게 하였다.
• 언듈레이터를 약 140 μm 진행한 지점에서 FEL 레이저 작동이 관측되었으며, 피크 스펙트럼 전력은 ω/ω2 ≈ 1에서 관측되어 성공적인 레이저 시작을 확인하였다.
• ω/ω2 ≈ 4 및 13에서의 스펙트럼 방출은 각각 고에너지 기수 B3 및 B1에서의 자발적 방출을 나타내었다.
• 이 방법은 헬륨와 같은 저이온화 임계값 매질을 사용할 경우 발산도를 수십 배 감소시킬 수 있는 잠재력을 지닌 새로운 다중 기수, 다색 FEL의 신규 제도를 가능하게 한다.