[論文レビュー] Dynamics of self-injected electron bunches at their acceleration by laser pulse in plasma

D.S. Bondar, Iryna Levchuk+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、レーザー駆動ブロー・アウト状態におけるプラズマ内での自己注入電子ビームの動的挙動を数値的に調査した。自己注入ビームは、自身が励起するウェーブフィールドによって強化された加速を経験し、パルス列の使用によりエネルギー取得が向上し、自己クリーニング効果によってエネルギー分散が低減することが示された。結果として、高品質な電子ビームを実現する自己持続的加速メカニズムの有効性が明らかになった。

ABSTRACT

Dynamics of self-injected electron bunches has been numerically simulated in blowout regime at self-consistent change of electron bunch acceleration by plasma wakefield, excited by a laser pulse, to additional their acceleration by wakefield, excited by self-injected bunch. Advantages of acceleration by pulse train and bunch self-cleaning have been considered.

研究の動機と目的

• レーザーパルスによって駆動されるプラズマウェーブフィールドに自己注入された電子ビームの動的挙動を理解すること。
• ブロー・アウト状態におけるレーザー駆動から自己注入ビーム駆動ウェーブフィールド加速への遷移を分析すること。
• 電子ビームのエネルギー取得と品質向上の観点から、レーザーパルス列の利点を評価すること。
• マルチステージ加速過程における電子ビームの自己クリーニング効果を調査すること。
• プラズマ中での電子ビームとそのウェーブフィールドの自己一貫的進化をシミュレーションすること。

提案手法

• 自己一貫的レーザー駆動および自己注入ウェーブフィールドモデルを用いた、プラズマ内での電子ビーム動力学の数値的シミュレーション。
• プラズマ応答と電子動力学をモデル化するための粒子-場所法（PIC）の実装。
• ウェーブフィールド励起を継続的かつ強化するために、複数のレーザーパルスを列状に配置する手法の統合。
• 最初にレーザー・ウェーブフィールドによって、その後は自身のウェーブフィールドによって駆動される連続的な加速ステージを経る電子ビームの追跡。
• マルチステージ加速過程におけるエネルギー分散、ミスレンス、ビーム品質の進化の分析。
• 1次元3速度空間（1D3V）の粒子-場所法コードを用いて、プラズマ内での全電子およびイオン動力学のシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期のレーザー駆動加速に続く、自己注入電子ビームが自身のウェーブフィールドによって加速される際の進化様子はいかなるものか？
• RQ2 パルス列の使用が、自己注入ビームのエネルギー取得とビーム品質に与える影響は何か？
• RQ3 マルチステージ加速過程において、自己クリーニング効果がエネルギー分散をどの程度低減するか？
• RQ4 レーザー励起ウェーブフィールドから自己注入ウェーブフィールド加速への遷移が、ビーム動力学に与える影響は何か？
• RQ5 ブロー・アウト状態において、電子ビームとそのウェーブフィールドの自己一貫的結合を最適化する条件は何か？

主な発見

• 自己注入電子ビームは、自身が励起するウェーブフィールドのおかげで顕著な追加加速を経験し、マルチステージでのエネルギー取得が可能となる。
• パルス列の使用により、長距離にわたり強いウェーブフィールドを維持でき、電子ビームのエネルギー取得が向上する。
• 加速過程において電子ビームの自己クリーニングが発生し、エネルギー分散が低減され、ビーム品質が向上する。
• シミュレーションにより、電子ビームとそのウェーブフィールドの自己一貫的結合が確認され、持続的加速の可能性が裏付けられた。
• 単一パルス励起と比較して、最終的な電子ビームのエネルギーと品質が向上し、ミスレンスとエネルギー分散が低減された。
• 自己励起ウェーブフィールド機構のおかげで、長距離にわたる伝搬において動的安定性が確保された。