[论文解读] Collective Deceleration

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

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 2

一句话总结

本文提出一种紧凑、非放射性的束流终止器，利用电离气体中的集体减速效应来停止激光尾波场加速器产生的高能电子束。通过利用低密度等离子体中的集体停止效应，该方法实现的停止长度比传统固态束流终止器短几个数量级，消除了辐射危害，同时高效处理短时、高密度的电子束。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统高能激光加速器束流终止器存在的体积大、成本高及辐射风险等问题。
• 探索更紧凑、更安全的替代停止机制，以应对未来GeV量级电子束的需求。
• 研究电离气体中的集体减速是否可作为固体中Bethe-Bloch停止和多重电磁级联停止的可行替代方案。
• 证明低密度等离子体可实现显著短于固体材料的停止长度，同时将放射活化降至最低。

提出的方法

• 从电离气体中集体减速的视角，重新评估物质中的停止功率。
• 基于等离子体物理原理，建立集体停止长度的模型，强调弱电离介质中集体电子-离子相互作用。
• 将稀薄等离子体中的集体停止与固体中的Bethe-Bloch停止及多重电磁级联停止进行比较。
• 利用电离气体中高电浆频率和集体响应特性，增强单位长度的能量损失。
• 该方法假设为激光尾波场加速器中典型的短时、高密度电子束，此时集体效应占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 电离气体中的集体减速能否实现显著短于传统固态束流终止器的停止长度？
• RQ2 低密度等离子体中的停止长度与固体中的Bethe-Bloch停止和多重散射停止相比，定量上如何？
• RQ3 等离子体中的集体停止相比固体材料，在多大程度上减少了放射活化？
• RQ4 在何种条件下，集体效应会主导个体电离或辐射损失？

主要发现

• 电离气体中的集体停止长度比固体中的Bethe-Bloch停止长度短几个数量级。
• 固体中多重电磁级联停止的停止长度也长于等离子体中的集体减速停止。
• 气体介质的低密度导致放射活化可忽略不计，消除了固态束流终止器的主要缺点。
• 该方法对激光尾波场加速器中典型的短时、高密度电子束特别有效。