Experimental and Theoretical Studies on Electron-Beam Focusing Using Active Plasm Lenses

Abstract

This work assesses the potential of active plasma lenses to deliver stable, quality-preserving focusing for high energy electron beams. It first provides a theoretical framework for understanding the focusing mechanisms of active plasma lenses. It then presents experimental results of direct electric field measurements inside of an active plasma lens as well as beam emittance measurements after passage through it. Recent advances in particle accelerator design aim for a paradigm shift away from cavity based accelerator modules towards smaller structures such as plasma-based accelerators allowing for orders of magnitude higher electric field gradients. These novel accelerator designs share a challenge intrinsic to their compact size: The capturing of beams after acceleration. Since beams have to be matched to the accelerating plasma wave, they are typically on the order of a few micrometer wide transversely. In combination with a common emittance of 0.5mmmrad, the beams are released with a relatively high divergence (~ mrad). Additionally, the energy spread of these beams typically lies on the percent-level. Beams with the combination of high divergence and energy spread will suffer loss of beam quality in a drift and in beam optics up to the point where the divergence is eliminated. So there is high demand for a capturing beam optic that mitigates this deteriorating effect. The active plasma lens provides a solution to this problem by focusing rapidly and azimuthally symmetric. This is a significant advantage over other focusing beam optics since the beam quality can be preserved in both horizontal and vertical direction simultaneously. The experimental results presented in this work show that active plasma lenses are capable of delivering stable, tunable, kT/m focusing gradients, an order of magnitude stronger than conventional electromagnetic quadrupole magnets. They also confirm the theoretical predictions in terms of nonlinearity and emittance degradation. They constitute a combination of magnetic field and beam emittance measurements in an active plasma lens that provide a gauge for the theoretical framework. Using this framework, the path towards beam quality preserving, high-gradient and tunable active plasma lenses for applications is shown.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, ob aktive Plasmalinsen verlässlich Strahlqualitäterhaltende Fokussierung für Elektronenstrahlen liefern können. Zuerst führt sie einen theoretischen Rahmen ein, der es ermöglicht den Fokussiermechanismus von aktiven Plasmalinsen zu verstehen. Anschließend werden experimentelle Ergebnisse einer direkten Messung sowohl des elektrischen Feldes in einer aktiven Plasmalinse als auch der Strahlemittanz nach der Fokussierung mit derselben vorgestellt. Die jüngeren Entwicklungen auf dem Feld der Teilchenbeschleuniger zielen auf einen Paradigmenwechsel hin, weg von Hohlraumresonatorbasierten Beschleunigerelementen hin zu kleineren Strukturen, die höhere Gradienten des elektrischen Feldes erlauben. Diese neuen Beschleunigerdesigns verbindet eine Herausforderung, die mit ihrer Größe einhergeht: Das Einfangen der Strahlen nach der Beschleunigung. Da die Teilchenstrahlen um effektiv beschleunigt werden zu können in ihrer Größe der beschleunigenden Plasmawelle angepasst sein müssen, ist ihre transversale Ausdehnung typischerweise wenige Mikrometer. Dies zusammen mit einer typischen Emittanz von 0.5mmmrad führt dazu, dass die Strahlen mit einer relativ hohen Divergenz das Plasma verlassen (~ mrad). Zusätzlich haben diese Strahlen typischerweise eine Energieunschärfe im Prozentbereich. Strahlen mit dieser Kombination erleiden einen Qualitätsverlust während der Driftstrecke und in Strahloptiken nach der Beschleunigung, der erst kompensiert wird, wenn die Divergenz eliminiert wird. Aus diesem Grund werden Einfangoptiken benötigt, die diesen nachteiligen Effekt abschwächen können. Aktive Plasmalinsen bieten eine Lösung für dieses Problem, da sie schnell und rotationssymmetrisch fokussieren können. Dies stellt einen deutlichen Vorteil gegenüber anderen Fokussieroptiken dar, da die Strahlqualität so in horizontaler und vertikaler Richtung gleichzeitig erhalten werden kann. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Plasmalinsen stabil und zuverlässig einstellbare Fokussiergradienten im Bereich von kT/m liefern können, eine Größenordnung stärker als elektromagnetische Quadrupollinsen ist. Die Messungen der Strahlemittanz stimmen ebenfalls sehr gut mit den theoretischen Vorhersagen der Nichtlinearität der Plasmalinse überein. Die Ergebnisse stellen eine Kombination aus direkter Feldmessung und Emittanzmessung des passierenden Elektronenstrahls dar, was eine Überprüfung der vorgestellten Theorie zu Plasmalinsen ermöglicht. Mit Hilfe dieser Theorie wird anschließend der Pfad zu Strahlqualitätserhaltenden, starken und einstellbaren Plasmalinsen für Anwendungen aufgezeigt.