[논문 리뷰] An Adiabatic Phase-Matching Accelerator

François Lémery, K. Floettmann외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 22.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비상대론적 전자 빔의 속도에 맞게 파라미터를 동적으로 조절함으로써 위상 일치를 가능하게 하는 광학 주파수에서의 고속도 전자 가속을 허용하는 등온적으로 편각된 유전율로 덮인 파이프웨이브(DLW)를 제안한다. 맥스웰 방정식과 FDTD 시뮬레이션을 통해 검증된 해석적 가정을 바탕으로, 10 cm 길이의 파이프웨이브에서 100 MV/m 전기장과 1 mm 파장 조건에서 10 MeV의 에너지 증가를 달성하였으며, 약 100 keV의 초기 에너지를 가진 전자 빔이 10 MeV까지 가속화되었고, 이는 약 1.25 /µm의 역 빔 길이, 25 keV 이내의 에너지 분포, 약 0.3 π mm mrad의 정규화된 횡방향 비산도를 갖는 고품질 전자 빔을 생성하였다. 이는 약 0.8 fs 이하로 조절 가능한 빔 길이를 포함하며, 약 100 keV의 초기 에너지를 가진 전자 빔이 10 cm 길이의 편각된 유전율 파이프웨이브에서 100 MV/m의 피크 전기장 조건에서 10 MeV까지 가속화되었고, 다양한 입력 파워와 주입 오프셋 조건에서도 에너지가 약 11 MeV로 일정하게 유지되어 파arameter 변화에 대한 강건성을 보였다. 이는 약 0.8 fs 이하로 조절 가능한 빔 길이와 25 keV 이내의 에너지 분포, 약 0.3 π mm mrad의 정규화된 횡방향 비산도를 갖는 고품질 전자 빔을 생성하였으며, 이는 공진기 X선 생성에 적합한 고품질 빔을 의미한다. 이 방법은 단일 파이프웨이브 설계를 통해 에너지, 길이, 비산도 등 다양한 파arameter를 갖는 넓은 범위의 조절 가능한 전자 빔을 생성할 수 있었고, 해석적 전기장 해석은 FDTD 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, astra 코드에 성공적으로 구현되어 일관성과 예측 정확도를 확인하였다.

ABSTRACT

We present a general concept to accelerate non-relativistic charged particles. Our concept employs an adiabatically-tapered dielectric-lined waveguide which supports accelerating phase velocities for synchronous acceleration. We propose an ansatz for the transient field equations, show it satisfies Maxwell's equations under an adiabatic approximation and find excellent agreement with a finite-difference time-domain computer simulation. The fields were implemented into the particle-tracking program {\sc astra} and we present beam dynamics results for an accelerating field with a 1-mm-wavelength and peak electric field of 100~MV/m. The numerical simulations indicate that a $\sim 200$-keV electron beam can be accelerated to an energy of $\sim10$~MeV over $\sim 10$~cm. The novel scheme is also found to form electron beams with parameters of interest to a wide range of applications including, e.g., future advanced accelerators, and ultra-fast electron diffraction.

연구 동기 및 목표

• 고주파에서 비상대론적 전자 빔의 위상 슬립 문제를 해결하기 위해 동적으로 위상 속도 일치를 가능하게 하는 것.
• 초고속 전자 衍생 및 약 1000억 분의 1초 X선 과학에 적합한 응용을 위한 작고 고기울기의 가속기 개념을 개발하는 것.
• 등온적 편각이 유전율 파이프웨이브에서 위상 일치된 가속을 유지하면서 에너지 손실 없이 지속될 수 있음을 보여주는 것.
• 전기장 해석과 빔 역학을 전파형 전자기 시뮬레이션과 astra 코드 내의 입자 추적을 통해 검증하는 것.

제안 방법

• 세로로 편각된 유전율로 덮인 파이프웨이브(DLW)에서 일시적인 전자기장에 대한 해석적 가정을 제안하여, z축 방향으로 전자 빔의 속도와 위상 속도가 일치하도록 보장한다.
• 공간적으로 변화하는 내부 반지름을 갖는 원통형 DLW에서 TM01 모드의 전기장 방정식을 유도함으로써 등온적 위상 속도 제어를 가능하게 한다.
• 등온 근사 조건 하에서 맥스웰 방정식과 일치함을 확인하기 위해 FDTD 시뮬레이션과 전기장 해석을 비교 검증한다.
• 유도된 전기장을 astra 입자 추적 코드에 통합하여 실제 초기 빔 조건을 반영한 빔 역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 초기 가속 단계에서 강한 산란력에 대응하기 위해 단순한 빔 매칭 기법을 도입한다.
• 에너지 분포, 빔 길이, 비산도 등의 빔 품질 지표를 평가하기 위해 종단 간 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 등온적 편각이 유전율 파이프웨이브에서 광학 주파수에서 비상대론적 전자 빔의 위상 일치된 가속을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 가정에서 유도된 전기장 해석이 맥스웰 방정식을 만족하고 10 cm 길이 동안 빔과 동기화를 유지하는가?
• RQ3 1 mm 파장에서 100 MV/m 전기장 조건에서 편각된 DLW에서 달성 가능한 빔 품질(에너지 분포, 비산도, 빔 길이)은 어떠한가?
• RQ4 입력 파arameter(예: 전기장 진폭, 주입 오프셋)를 변화시킴으로써 동일한 편각된 파이프웨이브가 얼마나 넓은 범위의 전자 빔을 조절할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법이 역 콤프턴 X선 생성과 같은 응용 분야에 적합한 고반복률, 작고 고기울기의 전자 소스를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 100 MV/m 피크 전기장 조건에서 10 cm 길이의 편각된 유전율 파이프웨이브를 통해 200 keV 전자 빔이 10 MeV까지 성공적으로 가속화되었다.
• 다양한 입력 파워와 주입 오프셋 조건에서도 빔 에너지가 약 11 MeV로 일정하게 유지되어 파arameter 변화에 대한 강건성을 보였다.
• 최종 빔 길이는 약 0.8 fs 이하로 조절 가능했고, 역 빔 길이 약 1.25 /µm였으며, 에너지 분포는 최소 25 keV 이내였다.
• 정규화된 횡방향 비산도는 약 0.3 π mm mrad로 감소하여 공진기 X선 생성에 적합한 고품질 빔을 의미했다.
• 단일 파이프웨이브 설계를 통해 에너지, 길이, 비산도 등 다양한 파arameter를 갖는 넓은 범위의 조절 가능한 전자 빔을 생성할 수 있었다.
• 해석적 전기장 해석은 FDTD 시뮬레이션을 통해 검증되었고, astra 코드에 성공적으로 구현되어 일관성과 예측 정확도를 확인하였다.