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Erschienen in: Optical and Quantum Electronics 3/2024

01.03.2024

Enhancement of electron-bunch quality in bubble domain utilizing plasma ramp profile with various density-hill widths in laser wakefield acceleration

verfasst von: Mohit Kumar, Hitendra K. Malik, Sandeep Kumar

Erschienen in: Optical and Quantum Electronics | Ausgabe 3/2024

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Abstract

The laser wakefield acceleration (LWFA) scheme is now a superb and potent instrument for industry, medicine, fusion, and other uses. With the aid of this technique, high-quality electron beams can be generated, which might eventually be employed to create small, portable X-ray sources. Using a linearly polarized Gaussian laser pulse, the present work focuses on examining electron acceleration in an under-dense plasma having a ramp profile with different density-hill widths. Two-dimensional Fourier–Bessel Particle-In-Cell simulation (2D-FBPIC) code shows that optimizing the laser parameters and plasma density profile maximizes the energy gain and minimizes the normalized rms emittance in the x, y directions inside the plasma bubble. For 10 and 90 \({\upmu\text{m}}\) density-hill widths, respectively, the optimal emittance value is reported to be \({\epsilon }_{x}\sim 3.10\) mm.mrad in the x-direction and \({\epsilon }_{y}\sim 2.63\) mm.mrad in the y-direction. At a density-hill width of 90 \({\upmu\text{m}}\), it is also observed that the charge trapped inside the bubble is 44.91 pC. With this density-hill width and a plasma channel length of 3.84 mm, our simulation findings show an energy gain of 0.38 GeV to the electron-bunch accelerated inside the bubble.

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Zurück zum Zitat Gonsalves, A.J., Nakamura, K., Daniels, J., Benedetti, C., Pieronek, C., de Raadt, T.C.H., Steinke, S., Bin, J.H., Bulanov, S.S., van Tilborg, J., Geddes, C.G.R., Schroeder, C.B., Tóth, Cs., Esarey, E., Swanson, K., Fan-Chiang, L., Bagdasarov, G., Bobrova, N., Gasilov, V., Korn, G., Sasorov, P., Leemans, W.P.: Petawatt laser guiding and electron beam acceleration to 8 GeV in a laser-heated capillary discharge waveguide. Phys. Rev. Lett. 122, 084801 (1–6) (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.084801CrossRefPubMedADS Gonsalves, A.J., Nakamura, K., Daniels, J., Benedetti, C., Pieronek, C., de Raadt, T.C.H., Steinke, S., Bin, J.H., Bulanov, S.S., van Tilborg, J., Geddes, C.G.R., Schroeder, C.B., Tóth, Cs., Esarey, E., Swanson, K., Fan-Chiang, L., Bagdasarov, G., Bobrova, N., Gasilov, V., Korn, G., Sasorov, P., Leemans, W.P.: Petawatt laser guiding and electron beam acceleration to 8 GeV in a laser-heated capillary discharge waveguide. Phys. Rev. Lett. 122, 084801 (1–6) (2019). https://​doi.​org/​10.​1103/​PhysRevLett.​122.​084801CrossRefPubMedADS
Zurück zum Zitat Kalmykov, S.Y., Beck, A., Yi, S.A., Khudik, V.N., Downer, M.C., Lefebvre, E., Shadwick, B.A., Umstadter, D.P.: Electron self-injection into an evolving plasma bubble: quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration in the blowout regime. Phys. Plasmas 18, 056704 (1–9) (2011). https://doi.org/10.1063/1.3566062CrossRefADS Kalmykov, S.Y., Beck, A., Yi, S.A., Khudik, V.N., Downer, M.C., Lefebvre, E., Shadwick, B.A., Umstadter, D.P.: Electron self-injection into an evolving plasma bubble: quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration in the blowout regime. Phys. Plasmas 18, 056704 (1–9) (2011). https://​doi.​org/​10.​1063/​1.​3566062CrossRefADS
Zurück zum Zitat Malik, H.K.: Laser-matter interaction for radiation and energy. CRC Press, Cambridge (2021)CrossRef Malik, H.K.: Laser-matter interaction for radiation and energy. CRC Press, Cambridge (2021)CrossRef
Zurück zum Zitat Malik, H.K., Kumar, S., Dhaka, V., Singh, D.K.: Analytical approach for the use of different gauges in bubble wakefield acceleration. J. Theoret. Appl. Phys. 15, 1–12 (2021) Malik, H.K., Kumar, S., Dhaka, V., Singh, D.K.: Analytical approach for the use of different gauges in bubble wakefield acceleration. J. Theoret. Appl. Phys. 15, 1–12 (2021)
Zurück zum Zitat Wilks, S., Dawson, J.M., Katsouleas, T.C., Su, J.J.: Beam loading efficiency in plasma accelerators. Part. Accel. 22, 81–99 (1987) Wilks, S., Dawson, J.M., Katsouleas, T.C., Su, J.J.: Beam loading efficiency in plasma accelerators. Part. Accel. 22, 81–99 (1987)
Metadaten
Titel
Enhancement of electron-bunch quality in bubble domain utilizing plasma ramp profile with various density-hill widths in laser wakefield acceleration
verfasst von
Mohit Kumar
Hitendra K. Malik
Sandeep Kumar
Publikationsdatum
01.03.2024
Verlag
Springer US
Erschienen in
Optical and Quantum Electronics / Ausgabe 3/2024
Print ISSN: 0306-8919
Elektronische ISSN: 1572-817X
DOI
https://doi.org/10.1007/s11082-023-05918-y

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