We created a sharp plasma pinnacle structure for localized electron injection and controlled acceleration in a laser wakefield accelerator. The formation of this shockwave-based pinnacle structure was investigated using aerodynamic theory. Details and scaling laws for the shockwave angle, shock position, shock width, and density ratio were experimentally and theoretically presented. Such work is crucial to yielding an expected plasma density distribution in a laser–plasma experiment but has had little discussion in the literature. Compared with the commonly used shock downramp structure, the particle-in-cell simulations demonstrated that the e beam injected in the created pinnacle structure could be accelerated to higher energy with much smaller root-mean-square relative energy spread. Moreover, this study indicated that the beam charge and transverse emittance can be tuned by the shock angle.
我々は、レーザー航跡場加速器において、局所的な電子入射と制御された加速のための鋭いプラズマ尖塔構造を生成した。この衝撃波に基づく尖塔構造の形成を、空気力学理論を用いて調査した。衝撃波角度、衝撃波幅、密度比に関する詳細とスケーリング則を、実験的および理論的に提示した。このような研究は、レーザー・プラズマ実験において所望のプラズマ密度分布を得るために重要であるが、文献での議論は限られている。一般的に用いられる衝撃波下降ランプ構造と比較して、粒子セルシミュレーションにより、生成された尖塔構造内に注入された電子ビームは、より高いエネルギーまで加速され、その際の平均二乗根相対エネルギー広がりははるかに小さいことが実証された。さらに、この研究は、ビーム電荷と横方向エミッタンスが衝撃波角度によって調整可能であることを示した。