Acceleration of laser-injected electron beams inan electron-beam driven plasma wakefieldaccelerator

Abstract

Die beschleunigenden Felder in Plasmawellen sind um einen Faktor von etwa 100 höher, als die von derzeit verwendeten supraleitenden Beschleunigern. Dies erlaubt eine deutliche Reduktion von Beschleunigungsstrecke, was wiederum den Bau der kompakten Beschleunigern erlaubt. Eine solche Entwicklung wird dringend benötigt, wenn man die kontinuierlich steigende Nachfrage nach Strahlzeit an Beschleunigern und elektronenstrahlgetriebenen hochqualitativen Lichtquellen beobachtet. Ein elementarer Schritt in der Entwicklung der Plasmabeschleunigngstechnologie ist die Kontrolle der in Plasmawellen erzeugten Elektronenstrahlen. Diese Arbeit behandelt die Beschleunigung von Elektronenstrahlen in elektronenstrahlgetriebenen Plasmawelle, deren Injektion durch Femtosekunden-Infrarot-Laserpulse kontrolliert wird. Zwei Injektionsmethoden konnten dabei experimentell zum ersten Mal realisiert werden: Die Trojan Horse Injektion und die Plasma Torch Injektion. Bei der Trojan Horse Injektion handelt es sich um eine Ionisationsinjektionsmethode, bei der die Ionisation der Elektronen, die dann in der Plasmawelle beschleunigt werden, ausschliesslich durch den Laserpuls geschieht. Dadurch wird die Injektion unabhängig von den Feldern der Plasmawelle und die Eigenschaften der sekundären Elektronenstrahles können dezidiert beeinflusst werden. Das erfordert einerseits einen sehr exakten Aufbau und gute zeitliche Kontrolle des Lasers und des treibenden Elektronenstrahls. Andererseits jedoch können mit dieser Methode Elektronenstrahlen mit bisher unerreichter Emittanz produziert werden. Im Theorie- und Simulationsteil dieser Arbeit wird derMechanismus untersucht, der das Stromprofil des injizierten Elektronenstrahles bestimmt. Dieses Modell wird dann aufgenommen für eine numerische Studie zur Trojan Horse Injektion in einer sich ausdehnenden Plasmawelle auf einer Plasmadichterampe. Es wird gezeigt, dass durch Injektion auf einer Dichterampe die Anforderung an den Strom des treibenden Elektronenstrahls deutlich verringert werden kann. Über die Intensitätsverteilung des Lasers und den Gradienten der Dichterampe kann dann das Stromprofil des erzeugten Elektronenstrahles gezielt gesteuert werden, wobei die hohe transversale Strahlqualität, die der Trojan Horse Injektion zu Eigen ist, nicht verringert wird. Die Plasma Torch Injektion ist eine Methode, die auf dem gezielten Einwirken auf die Phasengeschwindigkeit der Plasmawelle basiert und ist insofern vergleichbar mit der Dichterampeninjektion. Diese Arbeit beschreibt den ersten experimentellen Beweis der Trojan Horse und Plasma Torch Injektion, erbracht durch die E210 Kollaboration am SLAC National Laboratory. Der Experimentalteil dieser Arbeit beschreibt Experimentaufbau, Kalibierungen und Datenanalyse zu beiden Methoden. Ausserdem wird die Analyse einer neuen, plasmabasierten Synchronisationsmethode zwischen Elektronenstrahl und Laserpuls präsentiert.

Plasma wakefields deliver accelerating fields that are approximately a 100 times higher than those in conventional radiofrequency or even superconducting radiofrequency cavities. This opens a transformative path towards novel, compact and potentially ubiquitous accelerators. These prospects, and the increasing demand for electron accelerator beamtime for various applications in natural, material and life sciences, motivate the research and development on novel plasma-based accelerator concepts. However, these electron beam sources need to be understood and controlled. The focus of this thesis is on electron beam-driven plasma wakefield acceleration (PWFA) and the controlled injection and acceleration of secondary electron bunches in the accelerating wake fields by means of a short-pulse near-infrared laser. Two laser-triggered injection methods are explored. The first one is the Trojan Horse Injection, which relies on very good alignment and timing control between electron beam and laser pulse and then promises electron bunches with hitherto unprecedented quality as regards emittance and brightness. The physics of electron injection in the Trojan Horse case is explored with a focus on the final longitudinal bunch length. Then a theoretical and numerical study is presented that examines the physics of Trojan Horse injection when performed in an expanding wake generated by a smooth density down-ramp. The benefits are radically decreased drive-electron bunch requirements and a unique bunch-length control that enables longitudinal electron-bunch shaping. The second laser-triggered injection method is the Plasma Torch Injection, which is a versatile, all-optical laser-plasma-based method capable to realize tunable density downramp injection. At the SLAC National Laboratory, the first proof-of-principle was achieved both for Trojan Horse and Plasma Torch injection. Setup details and results are reported in the experimental part of the thesis along with the commissioning of a novel laser to-electron-beam synchronization diagnostic, which is based on the plasma recombination light. These findings constitute significant progress as regards the key community goals of making plasma accelerators better controllable and generate tunable high-quality electron beams.