[论文解读] Plasma based helical undulator for controlled emission of circularly and elliptically polarised betatron radiationJ. Vieira, J. Martins, U. Sinha

J. Vieira, J. L. Martins+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于离子体的螺旋形波荡器，利用圆极化或椭圆极化激光驱动器产生可调控的、高度极化的贝塔特罗尼X射线。通过离子化注入强制电子束产生螺旋形贝塔特罗尼振荡，该方法在辐射中实现了高达40%的圆极化度，且圆极化光子的极化度和通量可通过激光极化进行调节，为超快、高分辨率成像和材料科学提供了新应用。

ABSTRACT

We explore a plasma based analogue of a helical undulator capable of providing circularly and elliptically polarised betatron radiation. We focus on ionisation injection configurations and in the conditions where the laser pulse driver can force collective betatron oscillations over the whole trapped electron bunch. With an analytical model and by employing three dimensional simulations and radiation calculations, we find that circularly or elliptically polarised laser drivers can force helical betatron oscillations, which produce circularly/elliptically polarised betatron x-rays. We assess the level of polarisation numerically and analytically, and find that the number of circularly polarised photons can be controlled by tuning the laser pulse driver polarisation. We show the production of betatron radiation that is circularly polarised up to < 40% close to regions of maximum photon flux. The total flux of circularly polarised betatron radiation drops for elliptically polarised drivers, and is negligible when using linear polarisation. Our results can be tested today in current experimental facilities.

研究动机与目标

• 开发一种基于离子体的磁性螺旋形波荡器替代方案，用于产生圆极化和椭圆极化的贝塔特罗尼辐射。
• 证明激光极化可控制离子体加速器中圆极化X射线的极化度和通量。
• 利用极化X射线实现生物和磁性材料的超快、高分辨率成像的新应用。
• 提供一种可测试的、在现有激光和离子体加速器设施中可实现的实验方案。
• 探讨电子轨迹几何形状和纵向加速度在决定圆极化度中的作用。

提出的方法

• 使用三维OSIRIS粒子-网格模拟，建模在圆极化或椭圆极化激光驱动下离子化注入场景中的电子动力学。
• 应用相对论辐射发射公式（Liénard-Wiechert势）计算具有螺旋运动的相对论电子所辐射的电场。
• 采用jRad辐射代码计算辐射的空间和光谱分布，包括用于极化分析的斯托克斯参数。
• 通过斯托克斯参数 $ P_c = \frac{S_3}{S_0} $ 定义圆极化度，其中 $ S_3 $ 为圆极化分量。
• 调节激光驱动器的椭圆度角 $ \varphi $ 以控制圆极化辐射的手性和强度。
• 对横向探测平面积分辐射通量，量化作为 $ \varphi $ 函数的总圆极化光子产额。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于离子体的系统能否模拟螺旋形波荡器，以产生圆极化的贝塔特罗尼辐射？
• RQ2 激光驱动器的极化状态如何影响圆极化X射线的极化度和通量？
• RQ3 在实际条件下，基于离子体的贝塔特罗尼辐射中可实现的最大圆极化度是多少？
• RQ4 能否通过调节激光极化精确控制圆极化光子的空间分布和数量？
• RQ5 纵向电子加速和能量展宽如何影响辐射束最终的圆极化度？

主要发现

• 当使用圆极化激光驱动器时，贝塔特罗尼辐射中的圆极化度在光子通量最大的区域附近可达到约40%。
• 圆极化光子通量在圆极化驱动器（$ \varphi = \pm \pi/2 $）下达到最大值，而椭圆极化时显著降低，线性极化时（$ \varphi = 0 $）可忽略不计。
• 总圆极化X射线通量与激光驱动器的椭圆度角 $ \varphi $ 成比例，从而可精确控制圆极化光子的数量。
• 单个电子轨迹可表现出接近100%的圆极化度，但因辐射发射的相位差，束流平均极化度降低。
• 高度单色的电子束（能量展宽小）可显著提高圆极化度，表明实现更高极化度的潜在路径。
• 该方案在现有激光和离子体加速器设施中具有实验可行性，可立即用于测试和验证。