High repetition rates and efficient energy transfer to the accelerating beam are important for a future linear collider based on the beam-driven plasma wakefield acceleration scheme (PWFA-LC). This paper reports the first results from the Plasma Wakefield Acceleration Collaboration (E300) that are beginning to address both of these issues using the recently commissioned FACET-II facility at SLAC national accelerator laboratory. We have generated meter-scale hydrogen plasmas using time-structured 10 GeV electron bunches from FACET-II, which hold the promise of dramatically increasing the repetition rate of PWFA by rapidly replenishing the gas between each shot compared to the hitherto used lithium plasmas that operate at 1–10 Hz. Furthermore, we have excited wakes in such plasmas that are suitable for high gradient particle acceleration with high drive-bunch to wake energy transfer efficiency- a first step in achieving a high overall energy transfer efficiency. We have done this by using time-structured electron drive bunches that typically have one or more ultra-high current (30 kA) femtosecond spike(s) superimposed on a longer (∼0.4 ps) lower current (10 kA) bunch structure. The first spike effectively field-ionizes the gas and produces a meter-scale (30–160 cm) plasma, whereas the subsequent beam charge creates a wake. The length and amplitude of the wake depends on the longitudinal current profile of the bunch and plasma density. We find that the onset of pump depletion, when some of the drive beam electrons are nearly fully depleted of their energy, occurs for hydrogen pressure 1.5 Torr. We also show that some electrons in the rear of the bunch can gain several GeV energies from the wake. These results are reproduced by particle-in-cell simulations using the QPAD code. At a pressure of ∼2 Torr, simulation results and experimental data show that the beam transfers about 60% of its energy to the wake.
高繰り返し率と加速ビームへの効率的なエネルギー伝達は、ビーム駆動プラズマ航跡場加速方式（PWFA-LC）に基づく将来のリニアコライダーにとって重要である。本論文では、SLAC国立加速器研究所の最近稼働を開始したFACET-II施設を用いて、これらの両方の問題に取り組み始めたプラズマ航跡場加速コラボレーション（E300）の最初の結果を報告する。我々は、FACET-IIからの時間構造化された10 GeV電子バンチを用いてメートル規模の水素プラズマを生成した。この方式は、従来使用されてきた1〜10 Hzで動作するリチウムプラズマと比較して、各ショット間のガスを迅速に補充することにより、PWFAの繰り返し率を劇的に向上させる可能性を秘めている。さらに、我々は、高勾配粒子加速に適した航跡場を、高いドライブバンチから航跡場へのエネルギー伝達効率で励起することに成功した。これは、高い全体エネルギー伝達効率を達成するための第一歩である。これは、典型的には1つ以上の超高電流（30 kA）フェムト秒スパイクが、より長い（約0.4 ps）低電流（10 kA）バンチ構造に重畳された時間構造化電子ドライブバンチを使用することによって達成された。最初のスパイクは効果的にガスを電離し、メートル規模（30〜160 cm）のプラズマを生成する一方、後続のバンチ電荷が航跡場を生成する。航跡場の長さと振幅は、バンチの縦方向電流プロファイルとプラズマ密度に依存する。我々は、ドライブビーム電子の一部がそのエネルギーのほぼ全てを失うポンプ枯渇の開始が、水素圧力1.5 Torrで発生することを見出した。また、バンチ後部の一部の電子が航跡場から数GeVのエネルギーを獲得できることも示した。これらの結果は、QPADコードを用いた粒子セルシミュレーションによって再現される。約2 Torrの圧力では、シミュレーション結果と実験データは、ビームがそのエネルギーの約60%を航跡場に伝達することを示している。