Particle-in-cell (PIC) simulation code, especially the quasi–static PIC code, has been an indispensable tool to the development of the plasma wake field accelerator (PWFA). Such an advanced accelerator scheme uses a drive particle beam or a laser pulse to generate wake fields inside a plasma for accelerating another particle beam. The acceleration gradient can be 10 GeV or higher in the PWFA, which makes it a promising candidate as the main acceleration method in the future high energy electron–positron colliders or x-ray free electron laser facilities. In the plasma wake field acceleration, the plasma can be generated by ionizing the neutral gas with the Coulomb field around the particle beam or the electric field of the laser pulse. Therefore, the field ionization process plays a key role in the plasma wake field acceleration experiments. The 3D PIC code QuickPIC, which is based on the quasi–static approximation, has been widely used for efficiently modeling the PWFA problems including the field ionization process. However, the current field ionization algorithm in QuickPIC cannot simulate mobile ions. In this work, we developed a particle-based ionization method in order to track the motion of ions that generated during the ionization process. We also implement the new algorithm in another quasi–static PIC code QPAD, which additionally applied the azimuthal Fourier decomposition method compared with QuickPIC. The comparison of simulation results between the old and new algorithm and between QuickPIC and QPAD are presented. The comparison shows that for the plasma wake field acceleration simulation without the plasma ion motion, the particle-based method works as well as the old algorithm in both codes of QuickPIC and QPAD. When including the mobile ions in the field ionized plasma, QuickPIC and QPAD with the particle-based method show a well agreement with each other.
粒子インセル（PIC）シミュレーションコード、特に準静的PICコードは、プラズマ航跡場加速器（PWFA）の開発に不可欠なツールとなっている。このような先進的な加速方式は、駆動粒子ビームまたはレーザーパルスを用いてプラズマ内に航跡場を生成し、別の粒子ビームを加速する。PWFAにおける加速勾配は10 GeV以上にもなり得るため、将来の高エネルギー電子・陽電子コライダーやX線自由電子レーザー施設における主要な加速方式として有望な候補となっている。プラズマ航跡場加速において、プラズマは粒子ビーム周囲のクーロン場またはレーザーパルスの電場によって中性ガスを電離することで生成され得る。したがって、電離過程はプラズマ航跡場加速実験において鍵となる役割を果たす。準静的近似に基づく3D PICコードQuickPICは、電離過程を含むPWFA問題を効率的にモデル化するために広く使用されてきた。しかしながら、QuickPICにおける現在の電離アルゴリズムは移動可能なイオンをシミュレートすることができない。本研究では、電離過程中に生成されるイオンの運動を追跡するために、粒子ベースの電離法を開発した。また、QuickPICと比較して方位角フーリエ分解法を追加で適用した別の準静的PICコードQPADにも新しいアルゴリズムを実装した。旧アルゴリズムと新アルゴリズムの間、およびQuickPICとQPADの間のシミュレーション結果の比較を示す。比較により、プラズマイオンの運動を伴わないプラズマ航跡場加速シミュレーションでは、粒子ベース法はQuickPICとQPADの両コードにおいて旧アルゴリズムと同様に機能することが示される。電離プラズマ中の移動可能なイオンを含める場合、粒子ベース法を用いたQuickPICとQPADは互いに良く一致することを示す。