Demonstration of High Energy-Transfer Efficiency for Quality-Preserving, Beam-Driven Plasma-Wakefield Accelerators

Abstract

With the advancement of climate change, greenhouse gas emissions in all aspects of society must be reduced, including research. Particle collider and free-electron laser (FEL) facilities have become increasingly large as their scientific reach has been extended by using higher-energetic particles. While they have proven indispensable in fundamental research and industry and have impelled technological advances, they also have a large environmental footprint. Plasma accelerators, which accelerate particle bunches in the wakefields of a charged bunch propagating through a plasma, can sustain orders-of-magnitude-greater accelerating gradients than state-of-the-art accelerators. This would shrink the size of collider and FEL facilities, reducing their construction-arising environmental footprint and costs. However, a large fraction of the carbon footprint across the lifetime of such high-beam-power machines comes from power consumption during operation. Plasma accelerators must operate at high energy-transfer efficiency to ensure that the benefits of a smaller facility are not rendered futile by excessive power consumption. This thesis treats the topic of energy efficiency in plasma accelerators, presenting experimental results with high energy efficiency in the two transfers occurring within the plasma: from the driving bunch to the plasma and from the plama to the accelerating bunch. However, these types of facilities require high-quality bunches. Therefore, the experimental results must also be relevant for quality-preserving acceleration. Measuring high-quality bunches and a high energy-transfer efficiency requires precise diagnostics, for which a detailed dipole spectrometer calibration is performed. This allowed demonstrating experimentally the acceleration of a particle bunch at 0.8 GV/m while preserving its energy spread, charge, and transverse emittance. The plasma-to-accelerating-bunch energy-transfer efficiency in this first quality-preserving working point is 22%, close to the literature’s record efficiencies. The main result of this thesis is the experimental demonstration of (59 ± 3)% driver-to-plasma energy-transfer efficiency – an order of magnitude larger than previous results in the literature. This result was achieved at the limit of re-acceleration, a process that would hinder preserving the quality of an accelerating bunch, where the first driver electrons become non-relativistic, slip backward in phase and get re-accelerated. For the first time, this process, which limits the energy efficiency of a plasma accelerator, is measured in detail and with two separate diagnostics. While the high efficiency of these results was achieved separately, they represent key milestones in demonstrating high-efficiency and quality-preserving plasma accelerators.

Angesichts des fortschreitenden Klimawandels müssen die Treibhausgasemissionen in allen Bereichen der Gesellschaft reduziert werden. Dies betrifft auch die Forschung, wo Teilchenbeschleuniger und Freie-Elektronen-Laser (FEL) immer größer werden, da ihre wissenschaftliche Reichweite durch noch energetischere Teilchen erweitert wird. Solche Einrichtungen haben sich in der Grundlagenforschung und in der Industrie als unentbehrlich erwiesen, aber sie haben auch einen großen ökologischen Fußabdruck. Mittels Plasma kann ein Teilchenbündel im Kielfeld eines vorläufigen Bündels beschleunigt werden. Die Gradienten können um Größenordnungen höher sein als in der derzeitig verwendeten Beschleunigertechnologie. Dies würde die Länge von Teilchenbeschleuniger- und FEL-Einrichtungen verkürzen und somit auch ihren ökologischen Fußabdruck und die Baukosten reduzieren. Ein substantieller Teil des gesamten Fußabdrucks solcher Maschinen ist jedoch durch den Stromverbrauch während des Betriebs bestimmt. Damit die ersparten Treibhausemissionen nicht durch einen erhöhten Stromverbrauch zunichte getragen werden, müssen Plasmabeschleuniger mit hoher Energieübertragungseffizienz arbeiten. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit diesem Thema und präsentiert experimentelle Ergebnisse mit hoher Energieeffizienz in den zwei Transfers innerhalb des Plasmas: vom treibenden Bündel zum Plasma und vom Plasma zum beschleunigenden Bündel. Da für diese Art von Einrichtungen hochwertige Bündel erforderlich sind, wird der Fokus auf qualitätserhaltende Ergebnisse gesetzt. Dies erfordert präzise Diagnostiken, weshalb eine detaillierte Kalibrierung durchgeführt wird. Auf diese Weise konnte experimentell die Beschleunigung eines Teilchenbündels mit 0,8 GV/m unter Beibehaltung seiner transversalen Emittanz nachgewiesen werden. Dabei beträgt die Energietransfereffizienz vom Plasma zu dem beschleunigten Teilchenbündel 22% und ist vergleichbar zu den Rekordwerten in der Literatur. Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit ist der experimentelle Nachweis, dass ein treibendes Bündel (59 ± 3)% seiner ursprünglichen Energie im Plasma deponiert, was eine Größenordnung über den bisherigen Ergebnissen ist. Dies wurde kurz vor dem Prozess gemessen, wo treibende Elektronen auf nichtrelativistischen Energien verlangsamt und wieder beschleunigt werden, welches die Erhaltung der Qualität eines beschleunigten Bündels verhindern würde. Dieser Prozess, welcher somit die Energieeffizienz eines Plasmabeschleunigers begrenzt, wird hier zum ersten Mal detailliert gemessen. Auch wenn die hohe Effizienz dieser Ergebnisse in getrennten Messungen erzielt wurde, stellen sie einen wichtigen Meilenstein zur Demonstration hocheffizienter und qualitätserhaltender Plasmabeschleuniger dar.

Ante el avance del cambio climático, debemos reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en todos los aspectos de la sociedad, incluyendo la investigación. En este ámbito, colisionadores de partículas y láseres de electrones libres (free-electron lasers, FELs) han ido agrandándose a medida que se ampliaba su alcance científico mediante partículas más energéticas. Aunque se han demostrado indispensables en la investigación básica y en la industria, también tienen una gran huella medioambiental. Los aceleradores de plasma, que aceleran haces de partículas en los campos de estela de otro haz propagando a través de un plasma, pueden mantener gradientes de aceleración de órdenes de magnitud mayores que los aceleradores más modernos. Esto reduciría el tamaño de colisionadores y FELs, y con ello su huella medioambiental y los costes de construcción. Sin embargo, una gran parte de la huella medioambiental durante su vida útil tiene su origen en el consumo energético durante su funcionamiento. Por lo tanto, los aceleradores de plasma deben operar con una alta eficiencia energética para conseguir una reducción neta de emisiones de GEI. Esta tesis doctoral trata este tema, presentando resultados experimentales con alta eficiencia energética en las dos transferencias que ocurren dentro del plasma: del haz impulsor al plasma y del plasma al haz acelerador. Dado que este tipo de instalaciones requieren haces de alta calidad, se presta especial atención a resultados que puedan mantener la calidad del haz acelerante. La medición de haces de alta calidad y acelerados con alta eficiencia energética requieren diagnósticos precisos, para lo cual se realiza una calibración detallada del espectrómetro dipolar. Esto permite demostrar experimentalmente la aceleración de un haz de partículas con un gradiente de aceleración de 0,8 GV/m y manteniendo su emitancia transversal. Aquí, la eficiencia de transferencia energética (del plasma al haz acelerado) es del 22 %, similar a eficiencias récord. El principal resultado de esta tesis doctoral es la demostración experimental del haz impulsor transfiriendo el (59 ± 3) % de su energía inicial al plasma, siendo los resultados una orden de magnitud mayor que los previos descritos en la literatura. Esto se consiguió justo antes del inicio del proceso en el cual electrones impulsores se convertirían en no relativistas y se acelerarían de nuevo, lo que evitaría mantener la calidad de un haz acelerador. Por primera vez, este proceso, que limita la eficiencia energética de un acelerador de plasma, se mide meticulosamente y con dos diagnósticos independientes. Aunque la alta eficiencia de estos resultados se consiguió por separado, representan un hito clave en la demostración de aceleradores de plasma de alta eficiencia que mantengan la calidad del haz acelerador.