Study on Laser Plasma Acceleration Characteristics Using One-Body and Segmented Capillary Gas Cells

Abstract

본 학위 논문은 차세대 가속기로 주목받고 있는 레이저 플라즈마 가속기의 가스 타겟 개발 및 연구를 주제로 한다. 기존의 라디오 주파수 기반 기술(RF technology)을 사용하는 가속기는 가속관의 절연 파괴 한계로 인해 전기장이 약 100 MV/m로 제한된다. 이러한 한계는 더 높은 에너지로 입자를 가속하기 위해 대형 입자 가속기를 필요로 하며 이는 가속기 시설의 규모와 비용을 크게 증가시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 레이저 플라즈마 가속이 주목받고 있다. 레이저와 플라즈마의 상호 작용에서 생성되는 웨이크필드(항적장)를 활용하면 약 100 GV/m의 전기장을 구현할 수 있으며 이는 기존 가속기의 약 1000배에 해당한다. 따라서 현재 km 단위 규모의 대형 가속기 시설을 수 m 수준으로 축소할 가능성을 제시한다. 그러나 이 기술은 여전히 해결해야할 기술적 과제가 남아 있다. 가속기 시설의 관점에서 양질의 전자빔은 높은 에너지, 좁은 에너지 분포, 안정적인 발생 특성을 가져야 한다. 하지만, 레이저 플라즈마 가속에서는 레이저 조건을 변경하기 어려운 경우가 많다. 이에 따라 다른 환경적 요인을 개선해 전자빔 품질을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그중에서도 가스 타겟의 개선은 직관적이고 접근이 용이한 방법으로 주목받고 있다. 본 논문에서는 레이저 플라즈마 가속의 가스 타겟으로 사용할 수 있는 두 가지 형태의 케필러리(모세관) 가스셀을 제안한다. 먼저, 초기 개발된 일체형 케필러리 가스셀은 제작과 사용이 간단한 구조로 설계되었으며, 가스 누출을 방지하도록 제작되었다. 이를 활용해 케필러리의 가스 특성을 연구하였다. 이를 기반으로 레이저 플라즈마 가속 실험 및 시뮬레이션을 진행하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 두 번째 형태인 구획형 케필러리 가스셀을 설계하고 제작하였다. 구획형 케필러리는 기능별로 분리된 조각을 조합하는 방식을 통해 가스 밀도의 분포를 조절할 수 있는 특징을 가진다. 전자빔의 품질을 향상시키기 위해 가스 밀도가 점진적으로 감소하는 분포를 구현하였으며 전자 가속 실험과 시뮬레이션 결과 전자빔 품질이 실제로 향상되었음을 확인하였다. 특히, 구획형 케필러리는 조합 방식을 변경함으로써 더욱 복잡한 기능을 수행할 수 있어 레이저 플라즈마 가속기에 적합한 고성능 가스 타겟으로 기대된다.|This dissertation focuses on the development and study of gas targets for laser plasma accelerators, a promising candidate for next-generation particle accelerators. Conventional accelerators that utilize radio frequency (RF) technology are limited by the dielectric breakdown threshold of their accelerating structures, restricting the achievable electric field to approximately 100 MV/m. To accelerate particles to higher energies, significantly larger facilities are required. Laser plasma acceleration offers a novel solution to this challenge. By using wakefields generated through the interaction between lasers and plasma, electric fields as high as 100 GV/m can be achieved. This is approximately 1,000 times greater than that of conventional accelerators, enabling the potential reduction of kilometer-scale facilities to just a few meters. Despite this potential, several technical challenges remain to be addressed. From the perspective of accelerator facilities, high-quality electron beams must exhibit high energy, narrow energy spreads, and stable generation. In laser plasma acceleration, modifying the laser parameters is often challenging, so research efforts have focused on improving other environmental factors to enhance electron beam quality. Among these, the optimization of gas targets is an intuitive and accessible approach. This dissertation proposes two types of capillary gas cells as gas targets for laser plasma acceleration. The first type, a one-body capillary gas cell, features the simplest design for fabrication and operation. It was used to study the gas characteristics within the capillary, and subsequent laser plasma acceleration experiments and simulations were conducted. Based on these findings, a second type, the segmented capillary gas cell, was designed and fabricated. This modular design allows for the combination of separate functional segments, enabling control over the gas density distribution. To improve the quality of the electron beam, a gradually decreasing gas density profile was implemented. Experiments and simulations confirmed that this approach significantly improved electron beam quality. Furthermore, the segmented capillary gas cell can perform more complex functions by altering the combination of segments, making it a highly promising gas target for laser plasma accelerators. . (RF) 100 MV/m . 100 GV/m 1000 .