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Titel: Numerical beam stability studies in external injection plasma-wakefield acceleration regimes
Sonstige Titel: Numerische Strahlstabilitätsstudien bei externer Injektion in Plasmakielwellenbeschleunigungsregimes
Sprache: Englisch
Autor*in: Aschikhin, Alexander
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-03-18
Zusammenfassung: 
This work considers the phase-space evolution of an externally injected electron beam under various plasma-based accelertion scenarios using numerical methods. Plasma wakefield acceleration, an exceptional technology with the potential to drive the next generation of particle accelerators, uses a particle driver to excite a wakefield carrying gradients in the range of 10 GV/m to 100 GV/m, orders of magnitude higher than the conventional cavities currently available. However, the plasma environment has stringent requirements with respect to acceptable beam parameters which need to be carefully analyzed to enable stable beam transport and acceleration. Since the analytic description of electron-plasma interactions is all but impossible given the nature of the problem, the approach taken in this work relies on the dominant numerical
method in the field of plasma-based acceleration, the Particle-in-Cell approach, supported by analytic and semi-analytic descriptions of special cases. It focuses on the behavior of a preaccelerated beam and the mechanisms involved in its phase-space evolution, aiming to preserve beam-quality parameters and potentially minimize the energy spread using the dechirping approach.
After introducing a simplified analytic method for the calculation of uncorrelated emittance evolution and finding it in agreement with simulated results, the studies focused on the selection, vacuum-to-plasma transport and acceleration of an idealized beam, identifying a suitable working point for efficient energy gain and witness-beam parameter preservation. The wakefield encountered by the witness in such an acceleration scenario can increase its energy spread, a detrimental effect which can potentially be reversed using so-called dechirping. This work studied its applicability, finding that the reduction in projected energy spread is followed by an increase in the slice energy spread, before identifying a promising parameter range for a planned experiment and presenting data obtained from a successful demonstration at FLASHForward, concluding with a discussion of the dechirping potential of the beam obtained from earlier simulations.
Finally, the studies focused on beam distributions obtained from a particle-tracking method, which showed clear deviatons, both from the symmetric picture and the longitudinal current profiles. The asymmetries of the beams obtained after the separation of the initial bunch interfered with the acceleration process and necessitated the introduction of mitigation strategies, which were successfully implemented, resulting in tangible improvements in beam stability.

Diese Arbeit benutzt numerische Methoden zur Betrachtung der Phasenraumentwicklung eines extern injizierten Elektronenstrahls in verschiedenen plasmabasierten Beschleunigungsszenarien. Plasmakielwellenbeschleunigung („plasma wakefield accleration“) ist eine außergewöhnliche Technologie mit den Potential, die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern anzutreiben. Sie benutzt dazu einen Teilchenstrahltreiber um Kielwellen anzuregen, die Feldgradienten im Bereich von 10 GV/m bis 100 GV/m tragen können, mehrere Größenordnungen über den aktuell verfügbaren konventionellen Kavitäten. Die Plasmaumgebung stellt jedoch strikte Voraussetzungen an die Strahlparameter, die präzise analysiert werden müssen, um stabilen Strahltransport und -beschleunigung zu ermöglichen. Da die analytische Beschreibung von Elektronen-Plasma-Interaktionen aufgrund der betrachteten Problemparameter praktisch unmöglich ist, nutzt die vorliegende Arbeit die auf dem Feld der Plasmabasierten Beschleunigung vorherrschende numerische Methode, den sogenannten „Particle-in-Cell“-Ansatz, unterstützt von analytischen und semianalytischen Beschreibungen ausgewählter Spezialfälle.
Die Arbeit fokussiert sich auf das Verhalten vorbeschleunigter Strahlen sowie die für ihre Phasenraumentwicklung relevanten Mechanismen, mit dem Ziel, die Strahlqualität zu erhalten und potentiell die Energiebandbreite durch den Einsatz des „Dechirping“-Ansatzes zu minimieren. Nach der Vorstellung einer vereinfachten analytischen Berechnungsmethode für die Entwicklung der unkorrelierten Emittanz, fokussierten sich die Studien auf die Auswahl, den Vakuum-Plasma-Transport sowie die Beschleunigung eines idealisierten Elektronenstrahls und identifizierten dabei passende Einstellungen für die effiziente Beschleunigung eines „Witness“-Strahls unter Erhaltung seiner Qualitätsparameter.
Der Feldgradient in einem solchen Beschleunigungsszenario kann die Energiebandbreite des „Witness“-Strahls erheblich vergrößern. Dieser Effekt kann potentiell durch den Einsatz der sogenannten „Dechirping“-Technik rückgängig gemacht werden. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Anwendbarkeit dieser Methode und fand
dabei, dass eine Verringerung der projizierten Energiebandbreite mit einer Erhöhung der unkorrelierten Energiebandbreite einhergeht. Anschließend wurde ein vielversprechender Parameterbereich für ein geplantes Experiment idenzifiziert sowie Daten einer erfolgreichen Demonstration dieser Technik, aufgenommen bei FLASHForward, präsentiert. Das Kapitel endet mit einer Diskussion des „Dechirping“-Potentials des im vorherigen Kapitel beschleunigten Strahls.
Schließlich befassten sich die Studien mit Strahlverteilungen, die aus einem „Particle tracking“-Programm stammen und deutliche Abweichungen zeigten, sowohl in ihrer Symmetrie als auch bei den longitudinalen Stromprofilen. Die Asymmetrie der Elektronenpakete, die nach der Auftrennung des ursprünglichen Strahls erhalten wurden, hatte negative Auswirkungen auf den Beschleunigungsprozess. Dies erforderte die Einführung von Bewältigungsstrategien, deren erfolgreiche Umsetzung eine deutliche Verbesserung der Strahlstabilität ermöglichte.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8091
URN: urn:nbn:de:gbv:18-96438
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Schmidt, Bernhard (PD Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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