[论文解读] Non-linear Ion-Wake Excitation by the Time-Asymmetric Electron Wakefields of Intense Energy Sources with applications to the Crunch-in regime

Aakash A. Sahai|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 29被引用 3

一句话总结

本文提出，由强激光或粒子束产生的时间非对称电子尾场在电浆中激发一种长寿命、非线性的圆柱形离子孤子尾场，其驱动力源于电子空泡中的径向电场不对称性。该离子尾场形成一个径向扩展、密度压缩的通道，由电子热压力维持，从而限制了等离子体加速器的重复频率，并实现了通过强线性径向聚焦场实现正电子加速的“压缩进入”（crunch-in）模式。

ABSTRACT

A model for the excitation of a non-linear ion-wake mode by a train of plasma electron oscillations in the non-linear time-asymmetric regime is developed using analytical theory and particle-in-cell based computational solutions. The ion-wake is shown to be a driven non-linear ion-acoustic wave in the form of a cylindrical ion-soliton. The near-void and radially-outwards propagating ion-wake channel of a few plasma skin-depth radius, is explored for application to "Crunch-in" regime of positron acceleration. The coupling from the electron wakefield mode to the ion-mode dictates the long-term evolution of the plasma and the time for its relaxation back to an equilibrium, limiting the repetition-rate of a plasma accelerator. Using an analytical model it is shown that it is the time asymmetric phases of the oscillating radial electric fields of the nearly-stationary electron bubble that excite time-averaged inertial ion motion radially. The electron compression in the back of the bubble sucks-in the ions whereas the space-charge within the bubble cavity expels them, driving a cylindrical ion-soliton structure with on-axis and bubble-edge density-spikes. Once formed, the channel-edge density-spike is sustained over the length of the plasma and driven radially outwards by the thermal pressure of the wake energy in electrons. Its channel-like structure is independent of the energy-source, electromagnetic wave or particle beam, driving the bubble electron wake. Particle-In-Cell simulations are used to study the ion-wake soliton structure, its driven propagation and its use for positron acceleration in the "Crunch-in" regime.

研究动机与目标

• 理解强驱动脉冲后等离子体尾场加速器中长期离子动力学行为。
• 识别时间非对称电子尾场如何激发非线性离子尾场模式的机制。
• 建立圆柱形离子孤子形成与演化的模型，作为等离子体弛豫和重复频率限制的关键驱动力。
• 探索该离子尾场结构在正电子加速‘压缩进入’模式中的应用。
• 量化电子尾场能量向非线性离子声波模式的耦合程度。

提出的方法

• 基于近似静止电子空泡产生的时间非对称径向电场，对离子动力学进行解析建模。
• 利用粒子-网格（PIC）模拟解析非线性离子孤子结构及其在数百倍等离子体皮深范围内的驱动传播。
• 采用单空泡近似建模离子运动，以推演长脉冲列车的动力学行为。
• 分析电子尾场、振荡动能与离子模式激发之间的能量分配。
• 通过电子热压力与径向扩展动力学评估离子尾场的可持续性。
• 对比考虑与不考虑束流加载效应下，非线性电子振荡对离子尾场演化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间非对称电子尾场结构如何导致等离子体中非线性离子尾场的激发？
• RQ2 何种物理机制使得在电子空泡后方形成持续存在的圆柱形离子孤子？
• RQ3 离子尾场结构如何影响基于等离子体的加速器的弛豫时间与重复频率？
• RQ4 电子热压力在维持离子尾场通道径向扩展中的作用是什么？
• RQ5 离子尾场如何通过强线性径向聚焦场实现正电子加速的‘压缩进入’模式？

主要发现

• 由于时间非对称的径向电场作用，电子空泡后方形成非线性圆柱形离子孤子，其半径约为 4c/ωpe。
• 离子尾场通道表现出轴向与空泡边缘的密度峰，δni/n0 > 1，表明离子被强烈压缩。
• 离子孤子通过电子热压力在径向向外方向维持，形成可在数百倍等离子体皮深范围内持续存在的结构。
• 由于尾场结构具有普适性，离子尾场的演化与驱动源类型（激光或粒子束）无关。
• 离子尾场通过决定每次脉冲后等离子体的弛豫时间，限制了等离子体加速器的重复频率。
• ‘压缩进入’模式由离子尾场实现，其支持强度与尾场破裂场相当的强线性径向聚焦场，这对正电子束传输至关重要。