This paper assesses the feasibility of using kilo-joule class laser systems to pre-ionise an air column enhancing the propagation of relativistic electron beams. In a vacuum a charged beam will always diverge. In a plasma it may focus depending on the degree of beam charge and current neutralisation. Beams diverge due to scattering, but this paper highlights a parameter regime where plasma focusing in a pre-formed plasma may allow propagation of ∼10 GeV electron beams over a distance ∼10 m. Central to this theory is the degree to which the background plasma acts to charge or current neutralise the electron beam. These effects are quantified in a reduced 2D model using relativistic kinetic plasma simulations. These demonstrate that charge neutralisation is sufficiently high, and current neutralisation sufficiently low, that the proposed scheme is viable. The key problem identified in this paper is the difficulty in forming a suitable ionised channel. The primary laser energy loss mechanism for the parameters chosen is through inverse bremsstrahlung, not air ionisation, and possible ways to mitigate these losses are discussed.
本論文は、キロジュール級レーザーシステムを用いて空気柱を予備電離し、相対論的電子ビームの伝播を増強することの実現可能性を評価する。真空中では、荷電ビームは常に発散する。プラズマ中では、ビームの電荷中和および電流中和の程度に応じて、集束が起こり得る。ビームは散乱により発散するが、本論文は、予備生成されたプラズマ中のプラズマ集束が、約10 GeVの電子ビームを約10 mの距離にわたって伝播させ得るパラメータ領域に焦点を当てる。この理論の中心となるのは、背景プラズマが電子ビームを電荷中和または電流中和する程度である。これらの効果は、簡約2次元モデルを用いた相対論的運動論シミュレーションによって定量化される。これらのシミュレーションは、電荷中和が十分に高く、電流中和が十分に低いことを示し、提案された方式が実現可能であることを実証する。特定された主要な問題は、適切な電離チャネルを形成することの困難さである。選択されたパラメータにおけるレーザーエネルギーの主な損失機構は、空気の電離ではなく逆制動放射であり、これらの損失を軽減する可能な方法について議論する。