Plasma wakefield accelerators (PWFA) represent one of the promising new accelerator concepts that are now being developed intensively for future applications in high-energy physics and industry. Among the unresolved problems of practical implementation of PWFA there are maintaining the required quality (emittance, size, energy spread of bunches) and stable transportation of drive and accelerated (witness) bunches over long acceleration distances. For improving the bunch transport, we propose in this work that the plasma channel method should be modified through filling the bunch transport channel with the background plasma, the density of which is lower than the main plasma density building up an accelerating wake wave. We call this waveguide structure with a non-uniform transverse plasma profile a layered plasma waveguide (LPW). The wakefield excitation by a single electron bunch and a regular sequence of electron bunches in the LPW of cylindrical configuration has been explored both analytically and numerically. The layered plasma has been modeled as a combination of a tubular plasma and a plasma column of significantly different densities. The plasma column has a lower density. In the linear approximation of plasma dynamics, analytical expressions for the excited longitudinal and transverse wakefields were obtained. The dispersion dependencies of the TM-modes of the LPW were obtained and analyzed, and it was found that there was a single TM wave resonant with the electron bunch. Based on the obtained analytical expressions, the structures of the axial and radial wakefield amplitudes have been numerically investigated for the cases of a single drive bunch and a regular train of bunches. It is shown that for certain density ratios of the outer and inner plasmas, it is possible both to accelerate and focus simultaneously the drive and witness bunches. A spectral amplitude–frequency analysis of the excited wakefields has been carried out. The 2.5D particle-in-cell code was used to simulate the witness acceleration of an electron bunch by a wakefield created by drive electron bunches in a two-layer PWFA. The simulation showed good agreement with the results of analytical calculations. Analytical studies of wakefield excitation, as well as PIC numerical simulations of the dynamics of accelerated bunches in short layered plasma wake accelerator (LPWA) sections, have shown that LPWA has the potential to simultaneously accelerate and focus both electron and positron witness bunches. Further simulations of significantly longer LPWA accelerator modules are required to determine the final qualitative characteristics of the accelerated bunches.
プラズマ航跡場加速器（PWFA）は、将来の高エネルギー物理学や産業における応用に向けて現在精力的に開発されている、有望な新しい加速器概念の一つである。PWFAの実用化における未解決の問題の中には、要求される品質（エミッタンス、サイズ、バンチのエネルギー広がり）の維持と、長い加速距離にわたるドライブバンチおよび加速（witness）バンチの安定した輸送がある。バンチ輸送を改善するために、本研究では、加速航跡波を形成する主プラズマ密度よりも低い密度の背景プラズマをバンチ輸送チャネルに充填することにより、プラズマチャネル法を修正することを提案する。我々は、非一様な横方向プラズマ分布を持つこの導波管構造を、層状プラズマ導波管（LPW）と呼ぶ。円筒形状のLPWにおける単一電子バンチおよび規則的な電子バンチ列による航跡場励起が、解析的および数値的に調べられた。層状プラズマは、管状プラズマと有意に異なる密度のプラズマ柱の組み合わせとしてモデル化された。プラズマ柱はより低い密度を持つ。プラズマダイナミクスの線形近似において、励起された縦方向および横方向の航跡場の解析式が得られた。LPWのTMモードの分散関係が得られ解析され、電子バンチと共鳴する単一のTM波が存在することが見出された。得られた解析式に基づいて、単一のドライブバンチと規則的なバンチ列の場合について、軸方向および半径方向の航跡場振幅の構造が数値的に調べられた。外側と内側のプラズマの特定の密度比に対して、ドライブバンチとwitnessバンチを同時に加速し収束させることが可能であることが示された。励起された航跡場のスペクトル振幅–周波数解析が実行された。2.5D particle-in-cellコードを用いて、二層PWFAにおいてドライブ電子バンチによって生成された航跡場による電子バンチのwitness加速がシミュレーションされた。シミュレーションは解析的計算の結果と良好な一致を示した。航跡場励起の解析的研究、および短い層状プラズマ航跡加速器（LPWA）セクションにおける加速バンチのダイナミクスのPIC数値シミュレーションは、LPWAが電子および陽電子のwitnessバンチの両方を同時に加速し収束させる可能性を有することを示した。加速バンチの最終的な定性的特性を決定するには、大幅に長いLPWA加速器モジュールのさらなるシミュレーションが必要である。