[论文解读] Self-correcting longitudinal phase space in a multistage plasma accelerator

C. A. Lindstrøm|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 4

一句话总结

本文提出一种多级等离子体加速器设计，各级之间采用磁弯轨（magnetic chicanes），可在纵向相空间实现自修正机制，降低能量展宽并稳定束流质量。通过能量依赖的纵向色散，系统迭代重塑电流分布，修正初始不完美性，经过245级加速后，相对能量展宽降至0.05%以下，显著提高了对注入同步抖动和束流负载误差的容错能力。

ABSTRACT

Plasma accelerators driven by intense laser or particle beams provide gigavolt-per-meter accelerating fields, promising to drastically shrink particle accelerators for high-energy physics and photon science. Applications such as linear colliders and free-electron lasers (FELs) require high energy and energy efficiency, but also high stability and beam quality. The latter includes low energy spread, which can be achieved by precise beam loading of the plasma wakefield using longitudinally shaped bunches, resulting in efficient and uniform acceleration. However, the plasma wavelength, which sets the scale for the region of very large accelerating fields to be 100 µm or smaller, requires bunches to be synchronized and shaped with extreme temporal precision, typically on the femtosecond scale. Here, a self-correction mechanism is introduced, greatly reducing the susceptibility to jitter. Using multiple accelerating stages, each with a small bunch compression between them, almost any initial bunch, regardless of current profile or injection phase, will self-correct into the current profile that flattens the wakefield, damping the relative energy spread and any energy offsets. As a consequence, staging can be used not only to reach high energies, but also to produce the exquisite beam quality and stability required for a variety of applications.

研究动机与目标

• 解决等离子体尾场加速器对飞秒级时间抖动和电流分布不完美性的极端敏感性。
• 开发一种机制，使多级等离子体加速器即使存在初始束流误差，也能实现稳定、高质量的束流生成。
• 降低对束团注入和电流分布控制的严格同步与整形要求。
• 证明多级级联结合纵向色散可实现束流负载效应和能量展宽的自修正。
• 通过改善束流稳定性和能量展宽，使线性对撞机和自由电子激光等实际应用成为可能。

提出的方法

• 采用简化的四步仿真模型：(i) 定义初始纵向相空间（LPS）和1D网格，(ii) 使用非线性等离子体尾场的解析模型计算束流负载电场，(iii) 基于电场更新粒子能量，(iv) 通过磁弯轨实现基于R56的能量依赖性纵向位移。
• 采用与能量平方根成反比的R56值逐级缩放，以保持各级间色散一致性。
• 实现自洽反馈回路：束流负载塑造尾场，尾场对电流分布的响应通过重复压缩与再加速驱动能量修正。
• 采用Lu等人和Dalichaouch等人改进的解析模型模拟束流负载效应，并通过PIC模拟验证。
• 引入非相关能量展宽（σδ,uncorr = 0.5% rms）以模拟真实场非均匀性。
• 模拟245级，每级加速2 GeV，能量从10 GeV升至500 GeV，等离子体密度为10^16 cm⁻³，爆破半径Rb = 2.5kp⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有磁弯轨的多级等离子体加速器能否自修正初始电流分布不完美性并降低能量展宽？
• RQ2 自修正机制如何影响束团注入的时间抖动容限？
• RQ3 在存在自修正的情况下，失谐（dephasing）对平衡电流分布和能量展宽有何影响？
• RQ4 自修正过程如何影响相对与绝对纵向相空间中的归一化纵向发射度及Liouville定理？
• RQ5 在离子运动和相干同步辐射等实际效应下，自修正机制能否维持束流质量？

主要发现

• 经过245级后，相对能量展宽降低至0.03% rms，证明了对初始0.5% rms能量展宽的有效自修正。
• 自修正机制将注入时间容差从~1 fs提升至~200 fs，使系统可在最先进的同步精度（10 fs）范围内运行。
• 在失谐存在（每级10 µm）时，平衡电流分布演化为间距10 µm的四个微脉冲，这是由于尾场平坦化尺度有限所致。
• 该机制在相对纵向相空间中保持面积减小，表明尽管绝对发射度增加，仍有效抑制了能量展宽。
• 自修正过程对非相关能量展宽（0.5% rms）和束流负载非线性具有鲁棒性，确保了各级间束流质量的稳定。
• 该机制通过将纵向校正与贝塔特罗尼辐射引起的横向发射度抑制耦合，为未来系统实现6D阻尼潜力提供了可能。