A dark-current-free plasma accelerator driven by a short (⩽150 fs) self-guided petawatt laser pulse is proposed. The accelerator uses two plasma layers, one of which, short and dense, acts as a thin nonlinear lens. It is followed by a long rarefied plasma (∼1017 electrons cm−3) in which background electrons are trapped and accelerated by a nonlinear laser wakefield. The pulse overfocused by the plasma lens diffracts in low-density plasma as in vacuum and drives in its wake a rapidly expanding electron density bubble. The expanding bubble effectively traps initially quiescent electrons. The trapped charge given by quasi-cylindrical three-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations (using the CALDER-Circ code) is ∼1.3 nC. When laser diffraction saturates and self-guiding begins, the bubble transforms into a bucket of a weakly nonlinear non-broken plasma wave. Self-injection thus never resumes, and the structure remains free of dark current. The CALDER-Circ modelling predicts a few π mm mrad normalized transverse emittance of electron beam accelerated in the first wake bucket. Test-particle modelling of electron acceleration over 9 cm (using the quasistatic PIC code WAKE) sets the upper limit of energy gain 2.6 GeV with ∼2% relative spread.
暗電流のないプラズマ加速器が、自己導波するペタワット級レーザーパルス（≤150 fs）によって駆動される形で提案されている。この加速器は2つのプラズマ層を用いており、そのうちの1つは短く高密度で、薄い非線形レンズとして機能する。その後には長く希薄なプラズマ（∼10¹⁷ cm⁻³）が続き、その中で背景電子が非線形レーザー航跡場によって捕捉され加速される。プラズマレンズによって過焦点されたパルスは、真空中と同様に低密度プラズマ中で回折し、その航跡に急速に膨張する電子密度バブルを駆動する。この膨張するバブルは、初期状態では静止している電子を効果的に捕捉する。準円筒三次元粒子インセル（PIC）シミュレーション（CALDER-Circコードを使用）によって得られた捕捉電荷は∼1.3 nCである。レーザー回折が飽和し自己導波が始まると、バブルは弱非線形の非破壊プラズマ波のバケットへと変形する。したがって自己注入は再開されず、構造は暗電流のない状態を維持する。CALDER-Circモデリングは、最初の航跡バケット内で加速された電子ビームの規格化横エミッタンスが数π mm mradであることを予測する。9 cmにわたる電子加速のテスト粒子モデリング（準静的PICコードWAKEを使用）は、エネルギー利得の上限を2.6 GeV、相対エネルギー広がりを∼2%と設定する。