[论文解读] Beam dynamics challenges in linear colliders based on laser-plasma accelerators

C. B. Schroeder, C. Benedetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 33被引用 7

一句话总结

本文研究基于激光等离子体加速器（LPAs）的多TeV线性对撞机中的束流动力学挑战，证明在非线性气泡 regime 中通过束流整形可实现稳定、高品质的束流加速。主要挑战——横向束流摆动、库仑散射和贝特atron辐射——导致亚百分之一的发射度增长和功率损失，适用于亚100 nm发射度，从而实现高效、紧凑的多TeV等离子体直线加速器。

ABSTRACT

In this paper we discuss design considerations and beam dynamics challenges associated with laser-driven plasma-based accelerators as applied to multi-TeV-scale linear colliders. Plasma accelerators provide ultra-high gradients and ultra-short bunches, offering the potential for compact linacs and reduced power requirements. We show that stable, efficient acceleration with beam quality preservation is possible in the nonlinear bubble regime of laser-plasma accelerators using beam shaping. Ion motion, naturally occuring for dense beams (i.e., low emittance and high energy) severely damps transverse beam instabilities. Coulomb scattering by the background ions is considered and it is shown that the strong focusing in the plasma strongly suppresses scattering-induced emittance growth. Betatron radiation emission from the transverse motion of the beam in the plasma will result in beam power loss and energy spread growth; however for sub-100 nm emittances, the beam power loss and energy spread growth will be sub-percent for multi-TeV-class plasma linacs.

研究动机与目标

• 评估基于激光等离子体加速器（LPAs）实现多TeV线性对撞机的可行性，其具有超高梯度和超短束团的特点。
• 识别并分析基于等离子体加速器特有的束流动力学挑战，包括横向不稳定性、离子散射和贝特atron辐射。
• 评估这些挑战是否限制高能等离子体直线加速器中的束流质量和性能。
• 证明在非线性气泡 regime 中通过束流整形可实现稳定、高效的加速，且发射度增长极小。
• 评估γγ对撞机作为e+e−对撞机的替代方案的可行性，以避免正电子加速和束流辐射限制。

提出的方法

• 使用解析和数值模拟，对激光等离子体加速器非线性气泡 regime 中的束流动力学进行建模。
• 应用束流整形技术，使响应束流与尾场匹配，从而抑制横向摆动不稳定性。
• 利用离子响应模型表明，在高密度、低发射度束流中，离子运动可自然抑制横向束流不稳定性。
• 推导并应用库仑散射截面和发射度增长的公式，表明强等离子体聚焦可抑制发射度增长。
• 使用同步辐射公式计算贝特atron辐射的功率损失和能量展宽增长，其依赖于束流发射度和等离子体密度。
• 评估高场（量子） regime 下的亮度缩放和束流辐射，并提出γγ对撞机作为解决正电子加速挑战的方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高能、低发射度等离子体加速器中，横向束流摆动是否可以被抑制？
• RQ2 在多TeV等离子体直线加速器中，背景离子引起的库仑散射对发射度增长的影响有多大？
• RQ3 对于亚100 nm发射度束流，贝特atron辐射引起的能量展宽和功率损失有多显著？
• RQ4 在当前束流整形技术下，能否在多TeV能量的等离子体加速器中保持束流质量？
• RQ5 γγ对撞机是否是避免束流辐射和正电子加速挑战的可行替代方案？

主要发现

• 在高密度、低发射度束流中，离子运动可自然抑制横向束流不稳定性，从而实现稳定、高效的加速，且无发射度或能量展宽增长。
• 库仑散射引起的发射度增长被强等离子体聚焦抑制，导致多TeV级等离子体直线加速器中发射度增长小于1 nm。
• 对于亚100 nm发射度，贝特顿辐射导致的束流功率损失和能量展宽增长在多TeV等离子体直线加速器中均低于1%。
• 单位墙电功率的亮度（L/P）随短束团和低发射度而有利增长，尤其在高场束流辐射 regime 中表现更优。
• 使用康普顿反向散射的γγ对撞机可消除束流辐射和正电子加速限制，但需要高平均功率中红外激光。
• 通过非线性气泡 regime 中的束流整形，实现束流质量保持的多TeV等离子体直线加速器是可行的，支持未来对撞机集成研究。