Polarimetry of Laser Plasma Accelerated Electron Beams

Abstract

Laser Plasma Acceleration (LPA) with its extremely high gradients promises compact accelerators and great progress has been made in that direction. However, many applications in nuclear and high energy physics require polarised electron beams. The motivation of the LEAP project at DESY is the first time demonstration of LPA with polarisation. This thesis focuses on the design and commissioning of a Compton transmission polarimeter to verify electron polarisation in future LEAP experiments. The polarimeter makes use of the production of circularly polarised bremsstrahlung during the passage of the electrons through a suitable target. The photon polarisation is then measured with the aid of the transmission asymmetry related to the magnetisation direction of an iron absorber. A Monte Carlo design study revealed that a dedicated bremsstrahlung converter target had little impact on the asymmetry and was therefore omitted from the final design. Furthermore, resolving the small anticipated asymmetries (∼ 1.5 ‰) within a feasible number of shots requires an energy resolution better than 2 % for the calorimeter detecting the transmitted photons. Consequently, a homogeneous lead-glass calorimeter was constructed.The LEAP polarimeter was commissioned using an unpolarised electron beam. It was found to perform as designed; however, the measurements were dominated by systematic uncertainties due to false asymmetries arising from fluctuations in beam charge and energy. The analysing power of the polarimeter was determined to be 11.74 ± 0.18 %.

Laser-Plasma-Beschleunigung (LPB) bietet mit ihren extrem hohen Gradienten das Potenzial für sehr kompakte Beschleuniger, und in diesem Bereich wurden bereits erhebliche Fortschritte erzielt. Allerdings erfordern viele Anwendungen in der Kern- Hochenergiephysik polarisierte Elektronenstrahlen. Das LEAP-Projekt am DESY zielt darauf ab, erstmals die Erzeugung polarisierter Elektronenstrahlen mittels LPB zu demonstrieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Inbetriebnahme eines Compton-Transmissionspolarimeters zur Verifizierung der Elektronenpolarisation in zukünftigen LEAP-Experimenten. Das Polarimeter nutzt die Erzeugung zirkular polarisierter Bremsstrahlung während der Passage von Elektronen durch ein geeignetes Target. Die resultierende Photonenpolarisation wird durch Messung der Transmissionsasymmetrie in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung eines Eisenabsorbers bestimmt. Eine Monte-Carlo-Designstudie ergab, dass ein spezielles Bremsstrahlungskonverter-Target nur einen geringen Einfluss auf die Asymmetrie hat. Es wurde daher in der finalen Konstruktion weggelassen. Darüber hinaus erfordert die Auflösung der sehr kleinen zu erwartenden Asymmetrien (∼ 1.5 ‰) innerhalb einer realistischen Anzahl von Messungen eine Energieauflösung von besser als 2 % für das Kalorimeter, das die transmittierten Photonen detektiert. Daher wurde ein homogenes Bleiglas-Kalorimeter konstruiert. Das LEAP-Polarimeter wurde mit einem unpolarisierten Elektronenstrahl in Betrieb genommen. Es zeigte sich, dass das Polarimeter wie vorgesehen funktioniert, jedoch werden die aktuellen Messungen durch systematische Unsicherheiten dominiert, die durch falsche Asymmetrien aufgrund von Fluktuationen in der Strahlladung und -energie verursacht werden. Die bestimmte Analysierstärke des Polarimeters hat einen Wert von 11.74 ± 0.18 %.