Plasma-wakefield acceleration (PWFA) has attracted great attention due to its high accelerating gradients, which will drastically reduce the price, footprint, and carbon load of accelerators to be used for medical applications, free electron lasers (FELs), and future high-energy physics experiments. The compact linear accelerator for research and applications (CLARA) at the Daresbury Laboratory is a state-of-the-art electron accelerator for a future FEL test facility, capable of producing 250MeV electron bunches. Recently, a new beamline attached to CLARA, the so-called full energy beam exploitation (FEBE) facility, has been commissioned to provide ultra-short and low-emittance electron bunches. Here, we use the Fourier–Bessel particle-in-cell code to investigate PWFA with a two-bunch configuration at FEBE, aiming to double the energy of the witness bunch while preserving its incoming beam quality. Simulation results indicate that the driver’s trailing portion is tightly focused by the transverse wakefield, leading to a surging beam density and a transition from the linear to the non-linear regime. An appropriate flattened wakefield due to beam loading is achieved assisted with the tailoring of the plasma density. Moreover, the impact of ramping plasma density on beam quality is also discussed.
プラズマ航跡場加速（PWFA）は、その高い加速勾配により大きな注目を集めており、医療応用、自由電子レーザー（FEL）、および将来の高エネルギー物理学実験に使用される加速器の価格、設置面積、炭素負荷を大幅に削減するであろう。ダーズベリー研究所にある研究・応用のためのコンパクト線形加速器（CLARA）は、将来のFEL試験施設のための最先端の電子加速器であり、250MeVの電子バンチを生成することができる。最近、CLARAに接続された新しいビームライン、いわゆる全エネルギービーム利用（FEBE）施設が、超短かつ低エミッタンスの電子バンチを提供するために稼働を開始した。ここでは、我々はフーリエ–ベッセル粒子インセルコードを用いて、FEBEにおける2バンチ構成でのPWFAを調査し、ウィットネスバンチの入射ビーム品質を維持しながらそのエネルギーを2倍にすることを目指す。シミュレーション結果は、ドライバーの後尾部分が横方向航跡場によって強く集束され、ビーム密度の急増と線形領域から非線形領域への遷移を引き起こすことを示している。ビーム負荷による適切な平坦化された航跡場は、プラズマ密度の調整により達成される。さらに、ランプ状のプラズマ密度がビーム品質に及ぼす影響についても議論される。