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

Changhai Yu, Jiansheng Liu+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 50被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种新颖的方案，通过使用倾斜等离子体折射板将低能散电子束导向偏转式激光驱动的等离子体波荡器，从而增强激光尾波场加速器中的贝塔特辐射。该技术使横向振荡振幅增加逾10倍，显著提升了光子产额和能量，同时抑制了光谱展宽，实现了在紧凑装置中同时产生单能电子束和明亮、窄带宽X射线。

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.

研究动机与目标

• 为克服激光尾波场加速器中高质量电子束生成与高亮度贝塔特辐射之间的权衡问题。
• 将电子注入与加速过程与横向振荡控制解耦，以增强X射线发射。
• 在不损害电子束质量的前提下，实现贝塔特辐射中高光子产额与高能量。
• 展示一种紧凑、集成化的系统，可同时产生单能电子束与明亮、窄带宽X射线。

提出的方法

• 引入一个倾斜的薄等离子体折射板，将电子束偏转进入激光驱动的等离子体波荡器。
• 由于在板边界处发生折射，电子束的横向振荡振幅增加了逾10倍。
• 采用粒子-网格模拟方法对束流动力学进行建模，结果显示在等离子体尾波场中实现了增强的振荡行为。
• 电子束的低能散特性使其在振荡过程中能量变化极小，从而有效抑制了光谱展宽。
• 该系统将电子束生成、折射与波荡过程整合为单一紧凑型激光尾波场加速器构型。
• 该方案工作于等离子体波荡器模式，其中贝塔特辐射由横向贝塔特振荡产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不损害束流质量的前提下显著增强电子束的横向振荡振幅？
• RQ2 能否在保持光谱纯度的同时提高贝塔特辐射的光子产额与能量？
• RQ3 能否在单一紧凑型激光尾波场装置中实现电子束注入、加速与波荡的相干控制？
• RQ4 通过等离子体折射实现的束流导引是否能有效实现束流质量与辐射增强的解耦？

主要发现

• 电子束经过倾斜等离子体折射板后，其横向振荡振幅增加了逾10倍。
• 由于振幅增大，贝塔特辐射的光子产额显著增强。
• 发射X射线的峰值光子能量提高，表明辐射能量更高。
• 由于低能散电子束在振荡过程中能量变化极小，光谱展宽被有效抑制。
• 该系统在紧凑构型下实现了单能电子束与明亮、窄带宽X射线的同时生成。
• 实验结果通过粒子-网格模拟得到验证，确认了增强机制与性能提升。