[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究通过数值模拟研究了在激光驱动击穿模式下，等离子体中自注入电子束的动力学行为，表明自注入束流可通过其自身激发出的尾场实现增强加速，脉冲 train 有助于提升能量增益，自清洁效应可减少能量展宽。结果表明，该机制可实现自持的加速过程，从而产生高质量电子束。

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.

研究动机与目标

• 理解激光脉冲驱动的等离子体尾场中自注入电子束的动力学行为。
• 分析在击穿模式下，从激光驱动到自注入束流驱动尾场加速的过渡机制。
• 评估使用激光脉冲 train 改善电子束能量增益和质量的优势。
• 研究多阶段加速过程中电子束的自清洁效应。
• 模拟电子束与其尾场在等离子体介质中自洽演化的过程。

提出的方法

• 采用自洽的激光驱动与自注入尾场模型，对等离子体中电子束动力学进行数值模拟。
• 采用粒子-网格（PIC）方法模拟等离子体响应与电子动力学行为。
• 采用脉冲 train 配置引入多个激光脉冲，以维持并增强尾场激发。
• 追踪电子束在经历先由激光尾场后由自身尾场驱动的多个加速阶段中的演化。
• 分析多阶段加速过程中能量展宽、发射度和束流质量的演化。
• 使用一维三维空间（1D3V）粒子-网格代码，模拟等离子体中电子与离子的完整动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在初始激光驱动加速后，自注入电子束如何通过其自身尾场加速而演化？
• RQ2 使用激光脉冲 train 对自注入束流的能量增益和束流质量有何影响？
• RQ3 在多阶段加速过程中，自清洁效应在多大程度上可减少电子束的能量展宽？
• RQ4 从激光激发到自注入尾场加速的过渡如何影响束流动力学？
• RQ5 在击穿模式下，何种条件可实现电子束与其尾场之间的自洽耦合？

主要发现

• 自注入电子束因激发自身尾场而经历显著的额外加速，实现多阶段能量增益。
• 使用激光脉冲 train 可通过在更长距离上维持强尾场，提升电子束的能量增益。
• 电子束在加速过程中发生自清洁效应，降低能量展宽并改善束流质量。
• 模拟结果表明电子束与其尾场之间存在自洽耦合，验证了持续加速的可行性。
• 与单脉冲激励相比，最终电子束的能量和质量均得到提升，发射度和能量展宽均降低。
• 由于自激尾场机制，系统在较长传播距离内动力学行为保持稳定。