[论文解读] Positron Acceleration in an Elongated Bubble Regime

Tianhong Wang, Vladimir Khudik+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Particle accelerators and beam dynamics被引用 4

一句话总结

本文提出了一种拉长泡加速（ELBA）新机制，可在非线性等离子体尾场中实现稳定、高质量的正电子加速。通过在主驱动脉冲之后注入一个短电子脉冲，延长了等离子体泡的后沿，形成同时具备线性聚焦与加速场的区域。三维PIC模拟表明，正电子可实现16.5 GeV的加速，且仅产生2.1%的发射度增长，变压器比达0.8。

ABSTRACT

A new concept is proposed for accelerating positrons in a nonlinear plasma wakefield accelerator. By loading the wakefield (back of the plasma bubble) with a short electron bunch, an extended area of excessive plasma electron accumulation is created after the first bubble, resulting in a favorable region with simultaneous focusing and accelerating fields for positrons. Scaling laws for optimized loading parameters are obtained through extensive parameters scans. Owing to the good quality of the focusing field, positron acceleration with emittance preservation can be achieved in this new regime and it has been demonstrated in the three-dimensional particle-in-cell simulations.

研究动机与目标

• 为解决非线性等离子体尾场中正电子的聚焦与加速难题，该机制旨在克服传统泡态结构缺乏合适聚焦场的局限。
• 通过引入一种无需特殊束流或等离子体剖面的稳定、高质量聚焦结构，克服以往正电子加速方案（如空心驱动器、有限等离子体柱或正电子驱动器）的限制。
• 证明双脉冲电子驱动构型可通过在泡后沿加载电子，形成延长的有利加速区域，适用于正电子加速。
• 在完全非线性吹出态下实现发射度保持的正电子加速，避免准线性或线性区域中效率低下和相干性退化的问题。
• 建立一条可扩展、实验可行的路径，用于未来基于等离子体的轻子对撞机，且仅依赖现有驱动束流技术。

提出的方法

• ELBA方案使用一个主相对论性电子脉冲激发非线性等离子体泡，随后在可控延迟后注入一个短而高电荷的次级电子脉冲。
• 后续电子脉冲加载泡的后沿，减速等离子体电子流，使电子积累区域延伸至泡的自然长度之外。
• 这种延长的电子积累区域在第二个泡的前半部分产生强而线性的横向聚焦场，非常适合保持正电子束流质量。
• 该方法依赖于三维粒子-网格（PIC）模拟，采用WAND-PIC与VLPL-3D代码联合验证场结构与束流动力学。
• 聚焦场以 $F_x = E_x - B_y$ 表征，加速场以 $E_z$ 表征，两者在延长区域内的重叠实现了正电子的稳定加速。
• 通过广泛的参数扫描，推导出最优加载参数（电荷、脉宽、间距）的尺度律，以最大化变压器比并最小化发射度增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在非线性等离子体尾场中，不依赖特殊驱动器或等离子体剖面，构建稳定且高质量的正电子聚焦场？
• RQ2 在等离子体泡后沿加载电子脉冲，如何影响加速场与聚焦场的延伸？
• RQ3 为最大化变压器比并最小化发射度增长，正电子加速的最优加载参数（电荷、脉宽、间距）为何？
• RQ4 能否仅使用电子驱动器，在完全非线性吹出态下实现发射度保持的正电子加速？
• RQ5 与准线性或线性区域相比，ELBA机制在效率与束流质量方面表现如何，特别是在能量利用效率与束流相干性方面？

主要发现

• ELBA机制产生一个稳定、拉长的区域，同时具备线性聚焦与加速场，使非线性吹出态下的高质量正电子加速成为可能。
• 三维PIC模拟证实，正电子束可在15 cm距离内被加速至16.5 GeV，且归一化横向发射度仅增加2.1%。
• 变压器比达到0.8，表明能量从驱动器向正电子束高效转移，驱动器78%的能量被有效利用。
• 该方案与驱动脉冲剖面无关，可通过增加驱动脉冲长度实现高变压器比，如先前工作所示。
• 聚焦场在约0.8 $k_p^{-1}$ 的横向尺寸内保持有效，支持准匹配正电子束，即使在理想线性区域之外亦成立。
• ELBA方案避免了准线性区域中常见的贝特拉特退相干与低能量效率问题，后者仅能有效利用<10%的驱动器能量。