Theoretical and numerical studies on the transport of transverse beam quality in plasma-based accelerators

Abstract

In dieser Arbeit werden mit Hilfe von theoretischen und numerischen Methoden Effekte untersucht, die in plasmabasierten Teilchenbeschleunigern die transversale Elektronenstrahlqualität beeinflussen. Die plasmabasierte Teilchenbeschleunigung ist ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Beschleunigertechologien. Dabei werden entweder hochintensive Laserpulse oder relativistische Teilchenstrahlen mit hohen Strömen auf Plasmen fokussiert, um Plasmawellen mit extremen transversalen und longitudinalen Feldern zu treiben. Diese Felder können mit 10-100 GV/m um mehrere Größenordnungen jene übersteigen, die in heutigen Radiofrequenzbeschleunigern erzeugt werden, womit Plasmabeschleuniger prinzipiell entsprechend kürzer und günstiger sein können. Obwohl im letzten Jahrzehnt bemerkenswerte Fortschirtte in der Plasmabeschleunigung erzielt wurden, ist die Strahlqualität noch nicht ausreichend für zentale Anwendungen von relativistischen Elektronenstrahlen, z.B. FELs. Im Zusammenhang mit dieser Arbeit wurde deshalb untersucht wie die Strahlqualität bei der Strahlerzeugung optimiert und während der Beschleunigung und des Transports zum Interaktionsbereich erhalten werden kann. Solche Studien können nicht rein analytisch durchgeführt werden und benötigen numerische Ansätze wie die PIC-Methode, die eine Beschreibung von kinetischen, elektrodynamis- chen und relativistischen Plasmaphänomenen erlaubt. Allerdings sind Simulationen mit dieser Methode zu rechenintensiv um z.B. Parameterstudien in dreidimensionalen Geometrien durchzuführen. Aus diesem Grund wurde in Verbindung mit dieser Arbeit ein quasi-statisches PIC-Simulationsprogramm entwickelt, das eine Klasse von Problemen der Plasmabeschleunigung deutlich effizienter modellieren kann. In dieser Arbeit wird theoretisch und mit den o.g. numerischen Methoden erforscht wie sich die Emittanz von Elektronenstrahlen enwickelt, wenn diese extern in ein Plasmamodul eingekoppelt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Strahlparameter akkurat auf den fokussierenden Kanal im Plasmamodul angepasst sein müssen um die Strahlqualität zu erhalten. Dies erlaubt den Rückschluss auf modular aufgebaute Beschleunigerkonzepte, dass neuartige Extraktions- und Injektionsmethoden notwendig sind, wenn man den Vorteil der kürzeren Beschleunigungsstrecke erhalten will. Solch eine neuartige Extraktionsmethode mit speziell geformten Plasma-Vakuum-Übergängen wurde untersucht, und gezeigt, dass diese nicht nur das Auskoppeln erleichtert, sondern dass solche Methoden unerlässlich sind, wenn Strahlen in Strahloptiken eingekoppelt werden z.B. um zum Anwendungsbereich transportiert zu werden.

This work examines effects, which impact the transverse quality of electron-beams in plasma-based accelerators, by means of theoretical and numerical methods. Plasma-based acceleration is a promising candidate for future particle accelerator technologies. In plasma-based acceleration, highly intense laser beams or high-current relativistic particle beams are focused into a plasma to excite plasma-waves with extreme transverse and longitudinal electric fields. The amplitude of these fields exceed with 10−100 GV/m the ones in today’s radio-frequency accelerators by several orders of magnitude, hence, in principle allowing for accordingly shorter and cheaper accelerators based on plasma. Despite the tremendous progress in the recent decade, beams from plasma accelerators are not yet achieving the quality as demanded for pivotal applications of relativistic electron-beams, e.g. free-electron lasers (FELs). Studies within this work examine how the quality can be optimized in the production of the beams and preserved during the acceleration and transport to the interaction region. Such studies cannot be approached purely analytical but necessitate numerical methods, such as the Particle-In-Cell (PIC) method, which can model kinetic, electrodynamic and relativistic plasma phenomena. However, this method is computationally too expensive for parameter-scans in three-dimensional geometries. Hence, a quasi-static PIC code was developed in connection with this work, which is significantly more effective than the full PIC method for a class of problems in plasma-based acceleration. The evolution of the emittance of beams which are injected into plasma modules was studied in this work by means of theoretical and the above numerical methods. It was shown that the beam parameters need to be matched accurately into the focusing plasma-channel in order to allow for beam-quality preservation. This suggested that new extraction and injection-techniques are required in staged plasma-acceleration concepts if the advantage of the short overall acceleration distance is to be sustained. Such a novel extraction method with tapered plasma-to-vacuum transitions was studied and found that it does not only facilitate the extraction but also is indispensable if beams need to be captured by beam-optics in order to be transported e.g. to some interaction region.