[論文レビュー] Ultrarelativistic electron beams accelerated by terawatt scalable kHz laser

Carlo Maria Lazzarini, G. Grittani+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2023

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、光学的パラメトリックチープドパルス増幅（OPCPA）に基づくスケーラブルでマルチサイクルな1.7 TWレーザーシステムを用いて、1 kHz繰り返しレートで最大50 MeVの超相対論的で準単エネルギーの電子ビームを生成することに成功した。ビームは低発散（2 mrad）かつエネルギー分散が狭い（25%）特性を示し、高輝度X線源やコンパクトながん治療システムへの応用が可能である。

ABSTRACT

We show the laser-driven acceleration of unprecedented, collimated ($ 2 \ \mathrm{mrad} $ divergence), and quasi-monoenergetic ($ 25 \ \% $ energy spread) electron beams with energy up to $ 50 \ \mathrm{MeV} $ at $ 1 \ \mathrm{kHz} $ repetition rate. The laser driver is a multi-cycle ($ 15 \ \mathrm{fs} $) $ 1 \ \mathrm{kHz} $ optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) system, operating at $ 26 \ \mathrm{mJ} $ ($ 1.7 \ \mathrm{TW} $). The scalability of the driver laser technology and the electron beams reported in this work pave the way towards developing high-brilliance x-ray sources for medical imaging, innovative devices for brain cancer treatment, and represent a step towards the realization of a kHz GeV electron beamline.

研究の動機と目的

• 実用的応用を想定したスケーラブルで高繰り返しレートのレーザー駆動電子加速システムの開発。
• 高いコリメーション性と準単エネルギー分布を有する超相対論的電子ビームの生成。
• 将来的なコンパクトで高輝度X線源のための、テラワットクラスレーザーによるkHz動作の妥当性の実証。
• 先進的な科学的および医療的応用を想定した、kHz繰り返しレートでGeVクラスの電子ビームラインを実現する道筋の確立。

提案手法

• 1 kHz、15 fs、26 mJの光学的パラメトリックチープドパルス増幅（OPCPA）レーザーシステムを用い、ピークパワー1.7 TWを達成した。
• レーザーを固体標的に集光し、レーザー・プラズマ相互作用を駆動し、通常入射の相対論的自己焦点化メカニズムにより電子ビームを生成した。
• 電子ビームのコリメーション性とエネルギースペクトル制御を最適化した標的に基づく幾何構造を採用した。
• エネルギー、発散角、エネルギー分散の測定を目的として、スケーラーおよびイメージング診断法を用いて電子ビームを特性評価した。
• 将来の高繰り返しレート・高平均出力システムとの互換性を確保するため、スケーラブルなレーザー構造を採用した。
• 実験的測定により、発散角（2 mrad）およびエネルギー分散（25% FWHM）のビーム品質を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 kHz繰り返しレート、テラワットクラスのレーザーシステムは、高いコリメーション性と狭いエネルギー分散を有する超相対論的電子ビームを生成できるか？
• RQ2 スケーラブルでマルチサイクルOPCPAレーザーを用いた場合、1 kHzで達成可能な最大電子エネルギーは何か？
• RQ3 高繰り返しレートにおける、レーザーパrametersおよび標的設計に伴う発散角とエネルギー分散のスケーリング特性は何か？
• RQ4 1 kHz繰り返しレートにおいても、ビーム品質を維持できるレーザー・プラズマ加速プロセスは、実用的応用に適しているか？
• RQ5 本システムは、コンパクトで高輝度X線源または医療治療システムの実現にどの程度の可能性を秘めているか？

主な発見

• 1 kHz繰り返しレートで最大50 MeVの電子ビームが実際に生成された。
• 電子ビームはわずか2 mradの発散角を示し、高いコリメーション性を確認した。
• エネルギー分散は25%全波幅半値（FWHM）で測定され、準単エネルギー特性が裏付けられた。
• ピークパワー1.7 TW、パルスエネルギー26 mJ、パルス幅15 fsのレーザーシステムが達成された。
• OPCPAベースのレーザープラットフォームは、将来の高平均出力・kHz動作に向けたスケーラビリティを示した。
• 本結果は、先進的応用を想定した1 kHz繰り返しレートでGeVクラスの電子ビームラインを実現するための実現可能な道筋を確立した。