Emittance Measurements at Laser-Wakefield Accelerators

Abstract

Laser-Plasma-Beschleuniger ermöglichen das Erzeugen von hoch energetischen (GeV-Level) Elektronenstrahlen mit nm-Skala Emittanzen innerhalb von Beschleunigungsstrecken von wenigen cm und sind daher vielversprechende Kandidaten für Treiber zukünftiger Experimente. Die relative Breite der Energieverteilung der Elektronen im %-Bereich sowie Schuss-zu-Schuss-Fluktuationen in der Strahlqualität erschweren jedoch den Strahltransport Plasma-beschleunigter Elektronen sowie die Messung der Strahlemittanz mit konventionellen Methoden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Energie-aufgelöste Phasen-Raum Diagnostiken, eine Single-Shot und eine Multi-Shot Methode, am LUX Laser- implementiert. Durch Ionisationsinjektion erzeugte Elektronenstrahlen werden von einer virtuellen Quelle mit einem kompakten Quadrupol-Magnet-Dublett in ein Elektronenspektrometer fokussiert, was die gleichzeitige Messung der Strahlemittanz, Strahlgröße, Strahldivergenz und Phasen-Raum-Korrelation einzelener Energie-Intervalle ermöglicht. Die Ergebnisse beider Methoden stimmen zu 3% überein, was die Anwendbarkeit der Single-Shot Methode als auch die Reproduzierbarkeit der Elektronenstrahlqualtität in unserem Experiment verifiziert. Gleichzeitig wurde eine komplexe Variation der Phasen- Raum-Parameter innerhalb des breiten Energiespektrums gemessen. Die eingestzte Diagnostik ermöglicht ferner die Messung der chromatischen Effekte des Strahltransports auf den Phasen-Raum, welches eine erste Messung des chromatischen Emittanzwachstums ermöglichte. Im Falle eines 2%-Energie-Intervals des Spektrums wurde ein Wachstum der normierten Emittanz um 10% von (0.83 +- 0.07) mm mrad auf (0.93 +- 0.07) mm mrad innerhalb der Fokussieroptik gemessen. Mit der erreichten Messgenauigkeit, basierend auf einer detaillierten Fehler-Analyse und kalibriert durch Messungen mit hoher Statistik, wurde eine zuverlässige Phasen-Raum Diagnostik entwickelt, welche zur Emittanzoptimierung bei zukünftigen Experimenten am LUX Beschleuniger genutzt werden kann.

Laser-wakefield accelerators enable the generation of electron beams with initially nm-small emittances and GeV-level beam energies within cm-scale distances and are therefore promissing candidates for drivers of future experiments. However, the percent-level energy-spreads and shot-to-shot fluctuations in beam quality can pose a limit to the transportability of plasma-generated beams, and further impete the measurement of the beam emittance using conventional methods. In the framework of this thesis, two energy-resolved phase-space diagnostics, a single-shot and a multi-shot method, have been implemented at the LUX laser-plasma accelerator. Electron beams from ionization injection are imaged by a compact quadrupole doublet from a virtual source into a dispersive electron spectrometer, which allows to measure the beam emittance, beam size, divergence and phase-space correlation on the single energy-slice level. The results from both methods agree within 3%, which verifies the applicability of the single-shot method at our setup and prooves the reproducability of the generated electron beams. A complex variation of the phase-space within the broad energy spectrum is observed. The implemented diagnostics further allow to measure the chromatic effects of the transport optics on the beam phase-space and a first measurement of the chromatic emittance is presented. For a 2%-energy-spread sub-interval of the spectrum the normalized beam emittance grows by 10% from (0.83 +- 0.07) mm mrad to finally (0.93 +- 0.07) mm mrad inside the capturing optic and is conserved afterwards. With the achieved measurement precision, based on a detailed accuracy study and calibrated with high statistic scans, a reliable phase-space diagnostic has been developed for emittance optimization for future experiments at LUX.