2D beam dynamics simulation in linear mode LPWA channel with pre-modulation stage

Abstract

Laser plasma wakefield acceleration (LPWA) is one of most popular novel methods of acceleration. The acceleration process differs significantly for linear LPWA mode and bubble (non-linear) modes. The LPWA has two serous disadvantages as very high energy spread and low part of electrons trapped into acceleration. The energy spectrum better than 10% does not observed anyone in simulations or experiments without of especial plasma density distribution. Such simulations and first experiments was done for bubble mode with different injection methods as varying of plasma density into bunching sub-stage, pondermotive injection, etc. But linear mode LPWA is also very interesting to design a compact hundreds-MeV accelerator. 2D beam dynamics in linear mode LPWA is discussed in this report. The waveguide and klystron type beam pre-modulation schemes are studied. The simulation shows that the klystron type pre-modulation can to gives the energy spectrum better than 1.5% for 200…300 MeV beam and to achieve the capturing coefficient 70…80%.

Прискорення електронів у плазмовому каналі, утвореному при впливі лазерного випромінювання, є в цей час одним з найбільш досліджуваних нових методів прискорення. Процес прискорення розрізняється для двох випадків: лінійного та нелінійного («бульбашкового») режимів. Однак прискорення в плазмовому каналі має два суттєвих недоліки – широкий спектр енергії пучка на виході і низький коефіцієнт захоплення електронів у режим прискорення. Проведені моделювання та експерименти показують, що без застосування спеціальних методів передмодуляціі пучка не може бути отриманий спектр краще 10%. Для нелінійного режиму розроблено кілька таких методів і проведено перші експерименти. Лінійний режим прискорення може бути дуже перспективним для створення компактного прискорювача електронів у діапазоні енергій сотні мегаелектронвольт. Розглянута двовимірна динаміка пучка в каналі з передгрупувателем хвилеводного і клістронного типів. Моделювання показує, що при використанні групувателя клістронного типу можна отримати спектр пучка вже 1,5% при енергії електронів 200…300 МеВ і коефіцієнті захоплення 70…80%.

Ускорение электронов в плазменном канале, образованном при воздействии лазерного излучения, является в настоящее время одним из наиболее исследуемых новых методов ускорения. Процесс ускорения различается для двух случаев: линейного и нелинейного («пузырькового») режимов. Однако ускорение в плазменном канале имеет два существенных недостатка – широкий спектр энергии пучка на выходе и низкий коэффициент захвата электронов в режим ускорения. Проведенные моделирование и эксперименты показывают, что без применения специальных методов предмодуляции пучка не может быть получен спектр лучше 10%. Для нелинейного режима разработано несколько таких методов и проведены первые эксперименты. Линейный режим ускорения может быть очень перспективен для создания компактного ускорителя электронов в диапазоне энергий сотни мегаэлектронвольт. Рассмотрена двумерная динамика пучка в канале с предгуппирователем волноводного и клистронного типов. Моделирование показывает, что при использовании группирователя клистронного типа можно получить спектр пучка уже 1,5% при энергии электронов 200…300 МэВ и коэффициенте захвата 70…80%.