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正电子驱动的中空通道等离子体尾波加速器
信息来源: 发布时间:2016年11月25日 【 】 【打印】 【关闭

正电子驱动的中空通道等离子体尾波加速器


等离子体尾波场加速器(PWFA)是一种构建紧凑又经济的加速器中 很有前途的方案。通过等离子体中的集体场,使用均匀密度等离子体的PWFA已经证明可以加速度电子和正电子。最近的实验已经证明了高梯度和高效率的电子和正电子可以在极端非线性机制下的PWFA中得到加速。在非线性机制下的尾波除了具有强烈的加速场之外还有强的聚集力,这很难保留高能对撞机和下一代光源所需的加速束的极小发散度。为了保留在等离子体中加速束的发散度,一个解决方法就是使用在环形等离子体包围的中空通道中的粒子束诱导尾波。

本实验产生并诊断了8厘米场的中空等离子体通道,并且测量了在正电子在通道中传输时激发的纵向场的失相长度。作者发现当正电子在通道的轴上传输时空间轮廓没有明显的改变,这表明在通道中缺乏横向聚焦力,证明了PWFA中使用中空通道等离子体的优势。



文中的实验在SLAC国家加速器实验室的先进加速器实验测试设备上进行。当高阶贝塞尔轮廓的高强度激光场致电离了密度为的锂蒸汽,就可形成中空的等离子体通道,锂蒸汽装在130厘米长的热管炉中。实验装置如图1所示。脉宽为100fs,单脉冲能量为34mJ的激光进入锂蒸汽炉。激光通过一个相息图,获得高阶的贝塞尔轮廓,并聚焦到8厘米长的中空等离子体通道中。激光脉冲与正电子束的到达时间同步,以便于激光在正电子束到达之前可电离通道场致电离过程产生了冷等离子体,其中自由电子有1eV的能量,因此,等离子体在通道中的扩散可以忽略不计。作者注意到如果贝塞尔束足够强,他可以另外驱动尾波。正电子束平均能量为20.35GeV,能散为350MeV。在强电子束的电场作用下锂很容易被电离,所以实验中要保证电子束密度足够低才不会导致锂电离。

1.实验布局图(a)激光强度分布图(b)(c)在有等离子体和无等离子体情况下的正电子束空间剖面图

2.对等离子体通道的确定

通常来说,在通道中激发高阶模式会对粒子束产生负面影响,然而,可以使用与这些模式相干的横向场来描述中空通道等离子体的特征。粒子位置处的净横向力方向指向最近的电离区域,例如,如果粒子垂直偏移到通道轴的上方,他将会被驱逐到通道的顶部。因此可以通过展示一个关于粒子束轨迹的激光光栅扫描来呈现等离子体通道的拓扑结构,光栅扫描首先将激光对准平行于锂蒸汽炉旁通线路的粒子束轨迹,然后有两个金属光学渡越辐射薄片位于锂蒸汽炉的旁通线路的上下游,相隔1.84米。正电子束通过薄片且衰减的激光从薄膜上反射可以产生光学渡越辐射光,这使得正电子束和激光的位置能同时被记录下来,如图2a所示。在扫描过程分别在43.6 48.7μrad的正x和正y方向观察到平均的反冲。作者相信这是由于在将锂热管炉安装到束线上时对准错误导致的。图2b所示的向量场或“反冲图”显示了在减去平均反冲后的粒子束净反冲。在实验中, 激光的位置随着电子束轨迹而改变,但是为了看得更清晰,绘制了反冲向量,看起来似乎激光是固定的而束轨迹是改变的。反冲图的形状与我们预期的环形电离区域一致。当粒子束在通道外时,反冲点快速的朝向内部的 电离区域,当粒子束在通道内时,反冲点快速的朝向通道的外壁。反冲的辐射方向在一个半径为250毫米的环形区域反转了信号,图3c显示了在相同的YAG测量屏上粒子束区域的变化,横向尾波场的强度增加纵向贯穿了整个粒子束。反冲图和粒子束区域图都显示不对称的环形特性,这可能是由于贝塞尔轮廓的第一个最大值周围的激光强度的变化造成的,这导致了等离子体环电离不均匀。 




在激光尾场加速领域, 使用浅层等离子体通道来导引激光已成为扩展相互作用长度的普遍技术。该工作不同在使用的是一个中心无等离子体,半径长达240微米,被等离子体环包围的通道。该实验的一个重要方面是确保测量的实验效果不是由于残余的、轴上的、低密度等离子体造成的。在选择实验的粒子束参数中,在保持束尺寸不变的情况下,在激光离开后发送粒子束通过锂炉,我们减少了束粒子的值,标称值是每束个粒子。作者观察了束轮廓以及能量谱发现相互作用的阈值为每束粒子,将束粒子的数量进一步减少到,在这个值下,束轮廓和能量谱在有或者没有锂炉时没有明显的差异。

本文证明了产生以及探测中空通道等离子体的核心技术,并且展示了正电子通过以后在这样的通道中能激发尾波场。这项技术可以直接应用于产生米量级尺度的中空通道等离子体,通过减少通道的直径和增加电荷电量来增加梯度。这样的加速结构没有横向聚焦力,可以在加速束发射率的增长得到最小化的同时再叠加多个加速级,这个结构可能会因此极具吸引力。

摘译自:Gessner S, Adli E, Allen J M, et al. Demonstration of a positron beam-driven hollow channel plasma wakefield accelerator[J]. Nature communications, 2016, 7.



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