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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-88946
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8894/


Start-to-end simulations of hybrid laser-and beam-driven plasma wakefield acceleration and free electron lasers

Start-zu-Ende Simulationen von Laser- und Elektronenstrahlgetriebener Plasmawellenbeschleunigung und freien Elektronen Lasern

Wittig, Georg

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SWD-Schlagwörter: Teilchenbeschleunigung , Plasmawelle , Simulation , Freie-Elektronen-Laser
Freie Schlagwörter (Deutsch): Plasmawellenbeschleunigung
Freie Schlagwörter (Englisch): LWFA , PWFA , start-to-end simulations
Basisklassifikation: 33.80
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Foster, Brian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 20.12.2017
Kurzfassung auf Englisch: Plasma wakefield acceleration has experienced a rapidly growing interest and raised
high expectations to become the next generation of particle accelerators with high
energies, producing possibly better quality beams at an affordable cost. To approach
these far-reaching goals, this work investigates the—in the opinion of the author—best
implementations of plasma wakefield acceleration.
Therefore, the physical requirements to drive a particle-beam-driven plasma wakefield
accelerator (PWFA), which can provide very high-quality electron bunches, with a
laser-driven plasma wakefield accelerator (LWFA), will be investigated in detail for
the first time. This hybrid plasma wakefield accelerator can avoid the necessity of an
expensive, large-scale particle accelerator to generate a suitable PWFA drive beam, by
generating the drive-beam with a much cheaper high-power laser in a LWFA. The
high-quality electron bunches are generated by the underdense plasma photocathode
injection (Trojan Horse) technique in PWFA, which was recently demonstrated experimentally.
In addition, a novel injection technique, which was recently published by the author
and others, will be discussed. With this technique, shortly after the publication appeared, it was possible to not only successfully inject charge into a PWFA, but to
provide the crucial synchronization in the proof-of-principle experiment that demonstrated the Trojan Horse injection.
Finally, the high-quality bunch from the hybrid plasma wakefield accelerator is further
processed and utilized as the driver for a free-electron laser (FEL), to demonstrate the
application of the generated electron bunch. In this thesis, the hybrid LWFA-PWFA
stage, a subsequent electron-bunch transport line, and the FEL will be described mathematically and accurately modeled by three-dimensional simulations.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Beschleunigung von Elektronen in Plasmawellen erfuhr ein sehr schnell steigendes Interesse und schürte große Erwartungen, die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern mit hoher Energie, möglicherweise höherer Qualität und sogar geringeren Kosten werden zu können. Um sich diesen weitreichenden Zielen zu nähern, erforscht die vorliegende Arbeit die—aus der Sicht des Autors—besten Konzepte der Plasmawellenbeschleunigung und deren Kombination.
Hierfür werden die physikalischen Voraussetzungen zum Treiben von einem Teilchenstrahl getriebenen Plasmawellenbeschleuniger (PWFA), welcher qualitativ sehr hochwertige Elektronenpakete bieten kann, durch einem Laser getriebenen Plasmawellenbeschleuniger (LWFA) zum ersten Mal im Detail untersucht. Dieser hybride Plasmawellenbeschleuniger kann dabei umgehen, dass ein großer, kostenintensiver konventioneller Teilchenbeschleuniger benötigt wird, um einen geeigneten Treiber für den PWFA zu erzeugen, dadurch, dass dieser Treiber mit einem besser verfügbaren Hochenergie-Laser in einem LWFA erzeugt wird. Die qualitativ hochwertigen Elektronenpakete können dann in dem PWFA durch die Plasma-Photokathode Injektion (Trojan Horse) erzeugt werden, die vor kurzem experimentell bestätigt wurde.
Zusätzlich wird eine neue Injektionstechnik diskutiert, welche von dem Autor und
anderen publiziert wurde. Mit dieser Methode gelang es nicht nur kurz nach der
Publikation erfolgreich Elektronen in einen PWFA zu injizieren, sondern auch die
anspruchsvolle Synchronisation zur Verfügung zu stellen, welche ausschlaggebend
zum Erfolg des ersten Trojan Horse Experiments beitragen konnte.
Zuletzt wird das in dem hybriden Plasmawellenbeschleuniger erzeugte qualitativ hochwertige Elektronenpaket dazu verwendet, einen freien Elektronen Laser (FEL) zu treiben, um die Leistungsfähigkeit des erzeugten Elektronenpakets zu demonstrieren. In dieser Arbeit werden die hybride LWFA-PWFA Stufe, eine anschließende Elektronenpaket-Transportstrecke und der FEL mathematisch beschrieben, in dreidimensionalen Computersimulationen genau modelliert und abschließend visualisiert und analysiert.

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