雷射電漿波電子加速器電子束不穩定來源之研究

Source of the beam instability of laser wake-field accelerator in the bubble regime

詹瑋哲(Wei-Che Chan)

指導教授 ： 汪治平

國立臺灣大學/理學院/物理研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2013.10177

摘要

雷射電漿波電子加速器在加速梯度上相對於傳統的粒子加速器有著數量級上
的提升，因此無論是體積抑或是在使用的方便性來說都是值得研究發展的主題。
在各種雷射電漿波電子加速器的注入機制當中，電子在高強度雷射脈衝所產生的
電漿泡中自注入是相當重要的一個，電子在電漿泡中自注入後能夠被加速進而產
生較窄能譜接近單能量的電子束。然而在目前的實驗中，雷射電漿波電子加速器
所產生出來的電子束雖然有很好的能譜，但是穩定度卻不理想，因而我們希望利
用電腦模擬的方式來找出電子束不穩定的可能原因，進而提供實驗者解決的方
法。
在雷射電漿波電子加速器的實驗當中，電漿來自於雷射游離高壓氣體噴嘴所
噴出來的氣體。文獻上的實驗報告顯示高壓氣體噴嘴所噴出的氣體會有約5%的
密度擾動，而在這樣的密度擾動之下，是否會對最後產生出來的電子束發生
影響，正是本篇論文想要研究的主題。我們使用商用軟體VORPAL來作三維
PIC(Particle-In-Cell)的模擬，藉由模擬各種可能的電漿環境擾動，嘗試探討實
驗中電子束不穩定的可能原因。
文章中我們使用了幾種不同的橫向電漿密度擾動來作分析，研究的結果顯
示，一旦密度擾動的空間尺度接近雷射的光斑大小，那麼在大部分情況下僅
僅5%的密度擾動就會劇烈的影響電子的加速梯度或是注入時的指向性，進而嚴
重影響到最終產生出來的電子束品質。
第一章介紹雷射電漿波電子加速器的發展和其工作原理；第二章介紹PIC模
擬和我們的模擬工具；第三章針對文獻上已有的實驗作模擬，並且與實驗結果比
較，以驗證模擬方法的可信度；之後在第四章便會在不同的電漿密度擾動環境下
研究電子注入的穩定度和指向性，最後在第五章作出結論。

關鍵字

雷射 ； 電漿 ； 電子加速器 ； 粒子加速器 ； 電漿泡

並列摘要

Electron beam instability has been a severe problem in the experiment of the gas jet based laser-wakefield accelerator. Many experiments have obtained the high-energy, monoenergetic electron beams, but the statistics of beam instability is not provided in the most of the cases. Once it is provided, it contains only the shots which generate the monoenergetic beams. Hence, the results of the statistic may be overestimated. By using the computer simulation, we shows that the transverse plasma uniformity would be an important factor to the experiment result. It was found that there would be over 90$\%$ charge diminishing if the transverse plasma density is inhomogeneous. On the other hands, laser beam pointing instability also plays an important role in this scheme since the position of the focal spot provides the initial condition to the highly nonlinear laser-plasma interaction.

並列關鍵字

laser-wakefield ； monoenergetic ； computer simulation ； laser beam pointing instability ； nonlinear laser-plasma interaction

參考文獻

[1] T. Tajima and J. M. Dawson, ``Laser Electron-accelerator,' Phys. Rev.

[2] P. Channell, ``Brief Report on the Laser-Acceleration of Particles Workshop

- Introduction,' IEEE Trans. Plasma Sci. 15, 85--87 (1987).

``Forward Raman Instability and Electron Acceleration,' Phys. Rev.

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.47.1285