Přechod elektronových svazků z vakua do plazmatu při externím vstříknutí do brázdové vlny generované laserovým impulsem

Abstract

Urýchľovanie brázdovou vlnou je efektívna metóda zrýchlenia elektrónov v plazme, ktorá umožňuje generovať vysoké gradienty elektrického poľa. Tradičné schémy vstrekovania elektrónov do brázdovej vlny však môžu často trpieť nedostatočnou kontrolou. Preto rastie záujem o skúmanie externého vstrekovania, pri ktorom sa zväzky elektrónov vstrekujú z externého urýchľovača. Prudký prechod z vákua do plazmy avšak môže zapríčiniť zhoršenie parametrov elektrónového zväzku. Z toho dôvodu sa v rámci tejto práce uskutočnili 2D a 3D particle-in-cell simulácie pomocou kódu Smilei. Konkrétne boli analyzované (desiatky mikrónov dlhé) hustotné nábehy plazmy rôznych dĺžok s lineárnym alebo parabolickým nárastom, aby sa určil ich vplyv na vstrekovanie elektrónového zväzku a vývoj jeho parametrov v čase. S daným súborom parametrov simulácie bol navrhnutý 400-μm hustotný nábeh plazmy konvexného parabolického profilu ako najefektívnejší pri zachovaní relatívneho energetického rozptylu a priečnej emitancie elektrónového zväzku.

Laser wakefield acceleration is an efficient method for electron acceleration in plasmas that ensures high electric field gradients. However, traditional injection schemes of electrons into the wakefield can often suffer from a lack of control. Consequently, there is a growing interest in investigating external injection, in which electron bunches are injected from a separate accelerator. Nevertheless, a sharp vacuum-plasma transition can cause deterioration of the bunch parameters. Therefore, in this work, 2D and 3D particle-in-cell simulations using the Smilei code were performed. Short (tens-of-micron scale) plasma density ramps of different lengths with a linear or parabolic increase were examined to determine their influence on the injection of the electron bunch and its parameters. With a given set of simulation parameters, the 400-μm plasma density ramp of a convex parabolic profile was suggested as the most effective one in preserving the relative energy spread and transverse emittance of the electron bunch.