[논문 리뷰] Enhanced betatron radiation by steering a low-energy-spread electron beam in a deflected laser-driven plasma wiggler

Changhai Yu, Jiansheng Liu외 15명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 04.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 50인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 낮은 에너지 스프레드를 가진 전자 빔을 기울어진 플라즈마 굴절판을 통해 레이저 구동 플라즈마 와이거에 유도하여 레이저 웨이브필드 가속기에서 베태트론 복사의 향상을 위한 새로운 기법을 제안한다. 이 기법은 횡방향 진동 진폭을 10배 이상 증가시켜 복사의 양과 에너지를 크게 향상시키며 스펙트럼 넓이를 억제하여, 소형 구조에서 단일 에너지 전자 빔과 밝고 좁은 대역의 엑스선을 동시에 생성할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Laser wakefield accelerators (LWFA) hold great potential to produce high-quality high-energy electron beams (e beams) and simultaneously bright x-ray sources via betatron radiation, which are very promising for pump-probe study in ultrafast science. However, in order to obtain a high-quality e beam, electron injection and acceleration should be carefully manipulated, where a large oscillation amplitude has to be avoided and thus the emitted x-ray yield is limited. Here, we report a new scheme to experimentally enhance betatron radiation significantly both in photon yield and photon energy by separating electron injection and acceleration from manipulation of the e-beam transverse oscillation in the wake via introducing a slanted thin plasma refraction slab. Particle-in-cell simulations indicate that the e-beam transverse oscillation amplitude can be increased by more than 10 folds, after being steered into the deflected laser-driven wakefield due to refraction at the slab's boundaries. Spectral broadening of the x-rays can be suppressed owing to the small variation in the peak energy of the low-energy-spread e beam in a plasma wiggler regime. We demonstrate that the high-quality e-beam generation, refracting and wiggling can act as a whole to realize the concurrence of monoenergetic e beam and bright x-rays in a compact LWFA.

연구 동기 및 목표

• 레이저 웨이브필드 가속기에서 고품질 전자 빔 생성과 밝은 베태트론 복사 사이의 상충관계를 극복하기 위해.
• 횡방향 진동 제어로부터 전자 주입 및 가속을 분리하여 복사 방출을 향상시키기 위해.
• 전자 빔 품질을 떨어뜨리지 않고도 높은 광자 수와 에너지를 확보하기 위해.
• 단일 소형 레이저 웨이브필드 가속기 구성에서 동시에 단일 에너지 전자 빔과 밝고 좁은 대역의 엑스선을 생산하는 통합 시스템을 실현하기 위해.

제안 방법

• 기울어진 얇은 플라즈마 굴절판을 도입하여 전자 빔을 레이저 구동 플라즈마 와이거로 유도한다.
• 판의 경계에서의 굴절으로 전자 빔의 횡방향 진동 진폭이 10배 이상 증가한다.
• 입자-장 시뮬레이션(PIC)을 통해 빔 역학을 모델링하고 플라즈마 웨이브필드 내에서 강화된 와이깅 동작을 시각화한다.
• 낮은 에너지 스프레드를 가진 전자 빔은 진동 중 에너지 변화가 적어 스펙트럼 넓이를 억제한다.
• 전자 빔 생성, 굴절, 와이깅을 하나의 소형 레이저 웨이브필드 가속기 구성에서 통합한다.
• 베태트론 복사는 횡방향 베태트론 진동에 의해 생성되는 플라즈마 와이거 영역에서 작동한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 빔의 횡방향 진동 진폭을 빔 품질에 손상을 주지 않고 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 순도를 유지하면서 베태트론 복사의 광자 수와 에너지를 증가시킬 수 있는가?
• RQ3 단일 소형 레이저 웨이브필드 구조에서 전자 빔 주입, 가속, 와이깅을 일관적으로 제어할 수 있는가?
• RQ4 플라즈마 굴절에 의한 빔 유도가 빔 품질과 복사 향상 간의 분리에 효과적으로 기여하는가?

주요 결과

• 기울어진 플라즈마 굴절판을 통과한 후 전자 빔의 횡방향 진동 진폭이 10배 이상 증가하였다.
• 증가된 진동 진폭으로 인해 베태트론 복사의 광자 수가 크게 향상되었다.
• 방출된 엑스선의 피크 광자 에너지가 증가하여 더 높은 에너지의 복사가 발생했음을 시사한다.
• 낮은 에너지 스프레드를 가진 전자 빔은 진동 중 에너지 변화가 적어 스펙트럼 넓이가 억제되었다.
• 소형 구조에서 단일 에너지 전자 빔과 밝고 좁은 대역의 엑스선을 동시에 생성하는 데 성공하였다.
• 실험 결과는 입자-장 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 향상 메커니즘과 성능 향상이 확인되었다.