Measurement of Electron Parameters using Thomson Scattering

Abstract

Laser-plasma acceleration (LPA) offers acceleration gradients several orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators, enabling the acceleration of electrons to hundreds of MeV in just a few millimetres. These small-scale accelerators and in particular X-rays generated from LPA electron beams could potentially be used in material science or medicine. However, LPAs are not commercially used yet, partly because repetition rate and shot-to-shot beam stability are not sufficient for industrial or medical applications and the investigation of the long-term stability on the order of several hours required for the industrial use of LPA has only just started. In this thesis, an electron source was developed to match parameters required for the use of LPA in X-ray fluorescence imaging experiments. To generate stable electron beams, self-truncated ionisation injection using a weakly relativistic laser was experimentally implemented for the first time. The long-term stability of these beams was investigated in an 8 hour run at a repetition rate of 2.5 Hz, resulting in a total of 72000 acceleration events. During this time, the average charge stayed constant while the mean energy decreased by 7 percent, showing the necessity to further investigate long-term stability LPA, as such a drift would likely not have been detectable from the only tens to hundreds of shots that are usually considered. Furthermore, a new diagnostic technique based on Thomson scattering was developed, which offers the first in-situ measurement of electron parameters during the acceleration inside the wakefield. Using this technique, the electron-energy evolution was measured inside the plasma, showing an energy increase from 35MeV to 61MeV over a distance of 400 µm. The results agree well with particle-in-cell simulations and were used to study the dephasing of the electron bunch inside the accelerator. By combining measurements and simulations, the influence of the laser strength parameter on the dephasing length could be isolated, showing the power of this method. This newly developed diagnostic technique could be transferred to other electron parameters such as divergence or emittance to obtain a full picture of the electron bunch during acceleration. This could help to study experimentally issues of LPA such as emittance growth and increase the stability of electron beams from plasma accelerators. In combination with further long-term stability studies, these measurements could help to transfer LPA from proof-of-principle experiments to X-ray sources for a broad range of applications.

Laser-Plasma-Beschleunigung (LPB) erlaubt Beschleunigungsgradienten, die mehrere Größenordnungen höher sind, als in konventionellen Hochfrequenzbeschleunigern. So ermöglicht sie die Beschleunigung von Elektronen auf mehrere hundert MeV in wenigen Millimetern. Diese Miniaturbeschleuniger und insbesondere Röntgenstrahlung, die von LPB stammt, könnten für verschiedenste Anwendungen in der Materialwissenschaft oder der Medizin genutzt werden. Allerdings wird LPB noch nicht kommerziell genutzt, unter anderem, weil die Wiederholungsrate und Strahlqualität noch nicht für industrielle oder medizinische Anwendungen ausreicht. Zudem haben Untersuchungen der Langzeitstabilität über mehrere Stunden, die für die industrielle Nutzung von LPB benötigt wird, gerade erst begonnen. Im Rahmen dieser Thesis wurde eine Elektronenquelle entwickelt, die genutzt werden kann, um LPB für Röntgenuoreszenzbildgebung zu testen. Um stabile Elektronenpakete zu erzeugen, wurde zum ersten Mal selbstkürzende Ionisierungsinjektion mit einem schwach relativistischen Laser experimentell umgesetzt. Die Langzeitstabilität der Elektronen wurde über einen Zeitraum von acht Stunden bei einer Wiederholungsrate von 2.5 Hz untersucht. Die Durschnittsladung dieser 72 000 Strahlen blieb dabei konstant, während die mittlere Energie um sechs Prozent abgesunken ist. Dies zeigt die Notwendigkeit weiterer Langzeitstudien auf, da diese Verringerung der Energie nicht mit einigen zehn oder hundert Schüssen messbar gewesen wäre, die normalerweise betrachtet werden. Zudem wurde eine neue Elektronendiagnostik auf Basis von Thomson-Streuung entwickelt, die als erste die Messung von Elektronenparametern während der Beschleunigung im Kielfeld ermöglicht. Mit dieser Methode konnte die Entwicklung der Elektronenenergie über eine Länge von 400 µm im Plasma gemessen werden, die sehr gut mit Simulationen übereinstimmt. Die Messung wurde genutzt, um die Dephasierung des Elektronenstrahls im Beschleuniger zu untersuchen, was die Nützlichkeit der Methode aufzeigt. Die neu entwickelte Diagnosetechnik könnte auch auf andere Elektronenparameter wie die Divergenz oder die Emittanz erweitert werden, um ein ganzheitliches Bild des Elektronenstrahls während der Beschleunigung zu erhalten. Dies könnte helfen, um Probleme von LPB wie Emittanzsteigerung experimentell zu untersuchen und so die Stabilität der Elektronenstrahlen von Kielfeldbeschleunigern zu erhöhen. Zusammen mit weiteren Langzeitstabilitätsstudien könnte dies helfen, LPB für eine Vielzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen zu nutzen.