Немецкая исследовательская группа реализовала сверхкомпактную схему инжекции плазменного фотокатода

Исследовательская группа из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф и других организаций реализовала на лазерной установке DRACO сверхкомпактную схему инжекции плазменного фотокатода, интегрированную в гибридный плазменный кильватерный ускоритель. В исследовании использовалась лазерная система мощностью 150 ТВт для управления лазерно-кильватерным ускорителем (LWFA), генерирующим электронный пучок с высоким пиковым током, который затем управляет последующим ускорителем на кильватерном поле пучка (PWFA), обеспечивая генерацию и ускорение пробного электронного пучка в миллиметровой плазменной структуре.

Плазменные кильватерные ускорители могут создавать ускоряющие электрические поля, значительно превышающие поля традиционных радиочастотных линейных ускорителей, однако получение высококачественных, высокояркостных электронных пучков в компактных устройствах始终是这一领域面向自由电子激光器等应用的关键难题。Технология плазменного фотокатода, высвобождая электроны внутри плазменной волны с помощью синхронизированных лазерных импульсов, позволяет быстро захватывать, фокусировать и ускорять эти электроны, что может значительно повысить качество пучка.

В эксперименте исследователи использовали трехмиллиметровую лазерно-кильватерную ускорительную секцию для генерации релятивистского электронного пучка и блокировали отработанный лазерный импульс тонкой пленкой. Затем электронный пучок поступал в другую секцию PWFA длиной 3 мм. В этой секции использовалась газовая смесь из 50% водорода и 50% гелия с плотностью газа около 1,15×10¹⁸ см⁻³, а предварительно ионизирующий лазер формировал плазменный канал. Третий лазерный импульс вводился под углом 90° для ионизации электронов второго ионизационного уровня гелия, запуская процесс плазменного фотокатода.

а Обзор экспериментальной установки. Все лазеры (красные) происходят из лазерного источника DRACO. Лазер LWFA генерирует электронный пучок в струе LWFA и блокируется фольгой (оранжевая). Сгенерированный электронный пучок (темно-синий) затем распространяется в секцию PWFA, которая уже ионизирована предварительно ионизирующим лазером. Инжектор создает пробный пучок (светло-голубой), который регистрируется электронным спектрометром вместе с драйверным пучком. На правой вставке показано изображение фокусировки инжектора. Пробный лазер используется для наблюдения взаимодействия, на верхней вставке показан пример изображения. б Снимок моделирования частиц, демонстрирующий процесс инжекции, где ζ — координата оси распространения в сопутствующей системе отсчета. Электронный пучок (темно-синий) возбуждает плазменную волну в состоянии извержения, а фронт ионизации (оранжевый) лазерного импульса инжектора (красный) ионизирует He²⁺ при сканировании плазменной полости. Электроны He 2+ (светло-голубые), высвобожденные в центре плазменной волны, затем быстро сжимаются, захватываются и ускоряются в плазменной волне, формируя пробный пучок.

а. Теневое изображение точки инжекции, показывающее плазменный кильватерный след внутри секции PWFA. б. Спектр электронного пучка, генерируемого LWFA, с блокирующей лентой. в. Спектр электронного пучка, генерируемого LWFA, включая секцию PWFA и блокирующую ленту, но без лазера инжектора. г. Спектр электронного пучка, генерируемого LWFA, включая секцию PWFA, блокирующую ленту и лазер инжектора, что формирует четкий пробный пучок. Линии на рисунке соответствуют спектральной плотности заряда указанных пучков.

Результаты эксперимента показали, что при точном пространственно-временном перекрытии лазера инжектора и электронного драйверного пучка система может генерировать четко различимый пробный электронный пучок. Измеренный пробный пучок имел заряд около 10,7 пКл в пределах четверти полной ширины на полувысоте, среднеквадратичный угол расходимости 0,59 мрад, среднеквадратичный разброс энергии 1,24 МэВ, среднюю энергию 183,1 МэВ и относительный разброс энергии около 0,68%. Также наблюдались пробные пучки с энергией свыше 250 МэВ, что соответствует градиенту ускоряющего поля порядка 100 ГВ/м.

а. Наблюдаемая в эксперименте частота успешной инжекции, над точками данных указано общее количество импульсов для каждой временной задержки. б. Заряд пробного пучка, инжектированного в эксперименте, и заряд, наблюдаемый в моделировании. в. Спектральная плотность заряда инжектированного пробного пучка. Отдельные импульсы показаны с более низкой прозрачностью для индикации группировки значений заряда. Для каждого момента времени показаны средние значения параметров пробного пучка ± стандартная ошибка среднего (SEM), количество проанализированных пробных пучков составляет N  = 4, 16, 41, 63, 37, 67, 3 и 2 (для временных задержек от 0 фс до 300 фс). Временная задержка 0 фс определена как самый ранний момент наблюдения пробного пучка.

Исследовательская группа дополнительно подтвердила механизм инжекции с помощью сканирования временной задержки. Пробный пучок появлялся только в определенном временном окне; при удалении целевого вещества для инжекции гелия или блокировании пути лазера инжектора пробный пучок не наблюдался. Это указывает на то, что генерация пробного пучка зависит от селективной лазерно-индуцированной ионизации и точного пространственно-временного согласования, что соответствует характеристикам инжекции плазменного фотокатода.

Однако эксперимент также показал, что параметры пробного пучка по-прежнему демонстрируют значительные флуктуации от импульса к импульсу. Анализ теневых изображений показал, что это связано с флуктуациями заряда драйверного электронного пучка, изменениями степени предварительной ионизации и удлинением первой плазменной полости. Исследователи считают, что в дальнейшем можно улучшить воспроизводимость эксперимента и дополнительно охарактеризовать такие ключевые параметры пучка, как срезовый эмиттанс и срезовый разброс энергии, за счет повышения стабильности лазерно-кильватерного ускорителя, оптимизации пространственно-временных характеристик лазера и разработки более точных методов диагностики.

Другой набор данных, помимо набора, показанного на рисунке, определил корреляцию между зарядом пробного пучка и ионизацией частиц целевого вещества инжекции с помощью теневого анализа. Серые линии обозначают предельные значения потерь частиц целевого вещества инжекции 0% и 100%, ширина затененной области указывает на их неопределенность. Планки погрешностей определяются неопределенностью измерения длины полости (точность в два пикселя), деленной на количество полостей, использованных для определения длины волны потерь, и определяются индивидуально для каждого измерения (N = 1). Дополнительная пунктирная вертикальная линия, отмеченная на уровне 70% потерь, ссылается на рабочую точку исследований моделирования, показанных на рис. 3б) и в дополнительном примечании 6 и дополнительных рисунках 2, 4 .

Данное исследование демонстрирует, что высокоплотный плазменный фотокатод может быть реализован в компактной полностью оптической установке, сжимая часть исследований плазменного фотокатода, которые традиционно проводятся на объектах километрового масштаба, до экспериментальной платформы метрового масштаба. Исследовательская группа считает, что этот прогресс открывает новые технические пути для генерации электронных пучков сверхвысокой яркости и разработки компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах и других научных приложений.