[論文レビュー] Collective Deceleration

H.-C. Wu, T. Tajima+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2009

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、レーザー・ウェーブフィールド加速器から発生する高エネルギー電子ビームを、イオン化ガス内の集団的減速によって停止させるコンactで非放射性のビームダンプを提案する。低密度プラズマにおける集団的停止を活用することで、従来の固体ダンプと比較して停止長が数個のオーダー短くなり、放射線的危険性が排除されつつ、短く高密度なビームを効率的に処理できる。

ABSTRACT

With the increasing development of laser accelerators, the electron energy is already beyond GeV and even higher in near future. Conventional beam dump based on ionization or radiation loss mechanism is cumbersome and costly, also has radiological hazards. We revisit the stopping power of high-energy charged particles in matter and discuss the associated problem of beam dump from the point of view of collective deceleration. The collective stopping length in an ionized gas can be several orders of magnitude shorter than the Bethe-Bloch and multiple electromagnetic cascades' stopping length in solid. At the mean time, the tenuous density of the gas makes the radioactivation negligible. Such a compact and non-radioactivating beam dump works well for short and dense bunches, which is typically generated from laser wakefield accelerator.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのレーザー加速器における従来のビームダンプの限界、すなわち大型化・高コスト化・放射線的リスクを解決すること。
• 将来のGeVスケールの電子ビームに適した、よりコンactで安全な代替停止メカニズムを探索すること。
• 固体におけるBethe-Blochおよび複数の電磁的連鎖的停止と比較して、イオン化ガスにおける集団的減速が実用的であるかを検討すること。
• 低密度プラズマが固体材料と比較して著しく短い停止長を達成できることに加え、放射能誘発を最小限に抑えること。

提案手法

• 本研究は、集団的減速の観点から物質内の停止力を見直す。
• プラズマ物理学の原則に従い、弱くイオン化された媒体における集団的電子-イオン相互作用を強調して、集団的停止長をモデル化する。
• 希薄なプラズマにおける集団的停止を、固体におけるBethe-Bloch停止および複数の電磁的連鎖的停止と比較する。
• イオン化ガスにおける高いプラズマ周波数と集団的応答を活用して、単位長あたりのエネルギー損失を増幅する。
• 集団的効果が支配的になるレーザー・ウェーブフィールド加速器に一般的に見られる短く高密度な電子ビームを想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン化ガスにおける集団的減速は、従来の固体ダンプと比較して著しく短い停止長を達成できるか？
• RQ2 低密度プラズマにおける停止長は、固体におけるBethe-Blochおよび複数散乱停止と定量的に比較してどの程度短いか？
• RQ3 プラズマにおける集団的停止は、固体材料と比較してどの程度放射能誘発を低減できるか？
• RQ4 集団的効果が個々のイオン化または放射損失よりも支配的となる条件は何か？

主な発見

• イオン化ガスにおける集団的停止長は、固体におけるBethe-Bloch停止長と比較して数個のオーダー短い。
• 固体における複数の電磁的連鎖的停止も、プラズマにおける集団的減速と比較して長い停止長を示す。
• ガス媒体の低密度ゆえに放射能誘発が無視できるほど小さく、固体ダンプの主な欠点が解消される。
• 本手法は、レーザー・ウェーブフィールド加速器に一般的に見られる短く高密度な電子ビームに対して特に効果的である。