A theoretical and numerical approach into high-efficiency plasma oscillator for next-generation THz-driven electron linear acceleration

 J. Lee, D. Park, M. Kumar and M. S. Hur

기존의 RF (radio-frequency) 선형 전자 가속기들은 대부분 30 ~ 50 MV/m 범위의 종방향 가속 전기장에서 operation 하는데 이는 RF cavity의 conductor waveguide의 vacuum breakdown limit이 낮아 전자 빔을 가속시키기 위한 가속장의 세기를 쉽게 높일 수 없다는 한계점이 있다. 이를 극복하기 위해 구동 주파수를 테라헤르츠 단위 (1 ~ 10 THz)로 높이고 펄스 길이를 늘려 threshold를 높이면 결론적으로 가속관의 전기장 세기를 GV/m 단위로 높일 수가 있다. 이러한 이유로 최근 해외에서 고체 기반의 테라헤르츠파 방출 소스를 사용하여 전자 가속을 하려는 시도가 보고되고 있다. 하지만 고체 기반의 방출원들은 대부분 레이저 에너지 대비 효율이 낮다는 단점이 있다. 본 발표에서는 앞서 언급한 단점들을 극복하기 위한 연구로 소속된 연구실에서 제안한 고출력 테라헤르츠 방출원인 “플라즈마 쌍극자 진동” [1,2]을 테라헤르츠 기반 전자 가속에 적용하는 연구를 진행하였다. 특히 테라헤르츠파 에너지를 2,3차원 시뮬레이션을 통해 레이저 에너지 대비 효율을 계산하였으며 또한 효율을 계산함과 동시에 플라즈마 쌍극자 진동에서 방출된 테라헤르츠파와 전자 빔의 상호작용을 Elegant simulation으로 전산 모사한 결과를 보고할 예정이다.

[1] Kwon, Kyu Been, et al. "High-energy, short-duration bursts of coherent terahertz radiation from an embedded plasma dipole." Scientific reports 8.1 (2018).

[2] Lee, Jaeho, et al. "Intense narrowband terahertz pulses produced by obliquely colliding laser pulses in helium gas." Physics of Plasmas 30.4 (2023).