[논문 리뷰] Plasma based helical undulator for controlled emission of circularly and elliptically polarised betatron radiationJ. Vieira, J. Martins, U. Sinha

J. Vieira, J. L. Martins외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 18.

Nuclear Physics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원형 또는 타원형 편광 레이저 드라이버를 사용하여 제어 가능하고 고도로 편광된 베태트론 X선을 생성하는 플라즈마 기반 나선형 언듈레이터를 제안한다. 이온화 주입을 통해 전자 빔에 나선형 베태트론 진동을 유도함으로써, 방출되는 복사에서 최대 40%의 원형 편광도를 달성하며, 레이저 편광도를 조절하여 원형 편광된 광자의 도수와 강도를 제어할 수 있다. 이는 초고속 고해상도 영상 촬영 및 재료 과학 분야에서 새로운 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

We explore a plasma based analogue of a helical undulator capable of providing circularly and elliptically polarised betatron radiation. We focus on ionisation injection configurations and in the conditions where the laser pulse driver can force collective betatron oscillations over the whole trapped electron bunch. With an analytical model and by employing three dimensional simulations and radiation calculations, we find that circularly or elliptically polarised laser drivers can force helical betatron oscillations, which produce circularly/elliptically polarised betatron x-rays. We assess the level of polarisation numerically and analytically, and find that the number of circularly polarised photons can be controlled by tuning the laser pulse driver polarisation. We show the production of betatron radiation that is circularly polarised up to < 40% close to regions of maximum photon flux. The total flux of circularly polarised betatron radiation drops for elliptically polarised drivers, and is negligible when using linear polarisation. Our results can be tested today in current experimental facilities.

연구 동기 및 목표

• 원형 및 타원형 편광된 베태트론 복사를 생성하기 위해 자기 나선형 언듈레이터의 플라즈마 기반 대체 기술을 개발하기 위해.
• 플라즈마 가속기에서 레이저 편광도가 원형 편광된 X선의 도수와 유량에 어떻게 영향을 미치는지 보여주기 위해.
• 편광된 X선을 이용한 생물학적 및 자성 재료의 초고속 고해상도 영상 촬영 응용을 가능하게 하기 위해.
• 현재의 레이저 및 플라즈마 가속기 시설을 활용해 검증 가능하고 실험적으로 실현 가능한 기술적 방안을 제공하기 위해.
• 전자 궤도 기하학 및 종방향 가속도가 원형 편광도에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 원형 또는 타원형 편광 레이저 드라이버 하에서 이온화 주입 시나리오의 전자 역학을 모델링하기 위해 3차원 OSIRIS 입자-격자 시뮬레이션을 사용한다.
• 상대론적 복사 방출 공식(Liénard-Wiechert 잠재력)을 적용하여 나선운동을 하는 상대론적 전자에서 방출되는 전기장을 계산한다.
• jRad 복사 코드를 사용하여 방출 복사의 공간적 및 스펙트럼 분포를 계산하며, 편광 분석을 위한 스토크스 파라미터를 포함한다.
• 스토크스 파라미터 $ P_c = \frac{S_3}{S_0} $ 를 통해 원형 편광도를 정의하며, 여기서 $ S_3 $ 는 원형 편광 성분이다.
• 레이저 드라이버의 타원도 각 $ \varphi $ 를 조절하여 원형 편광 방출의 수동성 및 강도를 제어한다.
• 가로 방향 검출기 평면에 걸쳐 복사 유량을 통합하여 $ \varphi $ 의 함수로 총 원형 편광된 광자 수확량을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마 기반 시스템이 원형 편광된 베태트론 복사를 생성하기 위해 나선형 언듈레이터를 모방할 수 있는가?
• RQ2 레이저 드라이버의 편광 상태가 원형 편광된 X선의 도수와 유량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현실적인 조건에서 플라즈마 기반 베태트론 복사에서 도달 가능한 최대 원형 편광도는 얼마인가?
• RQ4 레이저 편광 조절을 통해 원형 편광된 광자의 공간 분포 및 수량을 정밀하게 제어할 수 있는가?
• RQ5 종방향 전자 가속도와 에너지 분포가 방출 비드에서 최종 원형 편광도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 원형 편광 레이저 드라이버를 사용할 경우, 광자 유량이 최대가 되는 영역 근처에서 베태트론 복사의 원형 편광도가 약 40%에 도달한다.
• 원형 편광 레이저 드라이버($ \varphi = \pm \pi/2 $)에서 원형 편광된 광자 유량이 최대가 되며, 타원형 편광일 경우 유량이 크게 감소하고 선형 편광($ \varphi = 0 $)일 경우 거의 없어진다.
• 원형 편광된 X선의 총 유량은 레이저 드라이버의 타원도 각 $ \varphi $ 와 비례하여, 원형 편광된 광자의 수를 정밀하게 제어할 수 있다.
• 개별 전자 궤도는 거의 100%의 원형 편광도를 보일 수 있으나, 복사 방출의 위상 차이로 인해 빔 평균 편광도는 감소한다.
• 에너지 분포가 좁은 매우 단색 전자 빔은 원형 편광도를 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 더 높은 편광도 수준을 향한 길을 열어준다.
• 이 기술적 방안은 현재의 레이저 및 플라즈마 가속기 시설을 활용해 실험적으로 실현 가능하며, 즉각적인 검증과 시험에 적합하다.