Novel Concepts for the Simulation and Experimental Demonstration of High-Quality Laser-Plasma Acceleration

Abstract

In a laser-plasma accelerator (LPA), an intense laser pulse drives a plasma wave that can trap and accelerate electrons at orders of magnitude larger accelerating gradients than modern radiofrequency technology. LPAs promise compact sources of high-brightness electron beams that would benefit a variety of applications in science, medicine and industry. Most of these applications demand low energy spread beams and high-efficiency operation. Achieving both requires to flatten the accelerating fields via controlled beam loading, which refers to an effect by which the shape of the plasma wave changes as the electrons absorb energy from it. This thesis reports on the experimental demonstration of such optimal beam loading. A novel plasma source was developed that uses localized ionization injection to generate high-quality electron bunches. By balancing laser and plasma parameters the setup allows optimizing beam loading through the combined effect of injected bunch current profile and plasma wave evolution. Operation at optimal conditions leads to flat average accelerating fields, which enabled the generation of one percent level energy spread electron bunches with tens of pC charge that were efficiently accelerated to a few hundred MeV energy. Using machine learning, a predictive model was built that quantifies how shot-to-shot variations in beam loading, and thus the beam quality, depend on subtle fluctuations of the drive laser. The model allows to assess how specific improvements to the laser performance would affect the LPA stability. A central component of the design and evaluation of the experiment were extensive simulation studies using the spectral, quasi-3D particle-in-cell code FBPIC whose development this work also contributed to. To run simulations in an optimal Lorentz-boosted frame and with that reduce the computational cost by orders of magnitude, a novel algorithm was invented that represents the particle-in-cell equations in Galilean (comoving) coordinates and thereby eliminates the numerical Cherenkov instability when modeling relativistically streaming plasmas. In summary, the numerical concepts presented in this thesis enable faster and more accurate simulations that, together with the insights from the experiment, provide a basis for designing and operating LPAs with an application-relevant quality and stability.

In einem Laser-Plasma-Beschleuniger (LPA) treibt ein intensiver Laserpuls eine Plasmawelle an, die Elektronen einfangen und mit um Größenordnungen stärkeren Gradienten beschleunigen kann als moderne Hochfrequenztechnik. LPB versprechen kompakte Quellen von Elektronenstrahlen hoher Helligkeit, die für eine Vielzahl von Anwendungen in Wissenschaft, Medizin und Industrie von Nutzen wären. Die meisten dieser Anwendungen setzen Strahlen mit einer geringen Energiebreite und einen hocheffizienten Betrieb voraus. Um beides zu erreichen, müssen die beschleunigenden Felder durch kontrolliertes Beam Loading abgeflacht werden. Beam Loading bezeichnet einen Effekt, bei dem sich die Form der Plasmawelle durch Energieabsorption der Elektronen ändert. Diese Arbeit berichtet über die experimentelle Demonstration von solch optimalem Beam Loading. Es wurde eine neuartige Plasmaquelle entwickelt, die mittels lokalisierter Ionisationsinjektion hochwertige Elektronenpakete erzeugt. Durch die Abstimmung von Laser- und Plasmaparametern ermöglicht der Aufbau Beam Loading durch den kombinierten Effekt aus injiziertem Stromprofil des Elektronenpakets und Evolution der Plasmawelle zu optimieren. Der Betrieb bei optimalen Bedingungen führt zu flachen mittleren Beschleunigungsfeldern, was die Erzeugung von Elektronenpaketen mit einer Energiebreite von ungefähr einem Prozent rms und einigen zehn pC Ladung ermöglichte, die effizient auf eine Energie von einigen hundert MeV beschleunigt wurden. Mithilfe von maschinellem Lernen wurde ein Modell erstellt, das quantifiziert, wie Schuss-zu-Schuss-Schwankungen des Beam Loading, und damit der Strahlqualität, von geringfügigen Fluktuationen des Antriebslasers abhängen. Anhand des Modells lässt sich beurteilen, wie sich spezifische Verbesserungen der Laserleistung auf die Stabilität des LPB auswirken würden. Ein zentraler Bestandteil der Konzeption und Auswertung des Experiments waren umfangreiche Simulationsstudien mit dem spektralen, quasi-3D Particle-in-Cell-Code FBPIC, zu dessen Entwicklung diese Arbeit ebenfalls beigetragen hat. Um die Simula- tionen in einem optimalen Lorentz-geboosteten Bezugssystem durchführen zu können, und damit die Rechenkosten um Größenordnungen zu reduzieren, wurde ein neuartiger Algorithmus entwickelt, der die Particle-In-Cell-Gleichungen in Galileischen (sich mit- bewegenden) Koordinaten darstellt und dadurch die numerische Cherenkov Instabilität bei der Modellierung relativistisch strömender Plasmen eliminiert. Zusammengenommen ermöglichen die in dieser Arbeit vorgestellten numerischen Konzepte schnellere und genauere Simulationen, die gemeinsam mit den Erkenntnissen aus dem Experiment eine Grundlage für die Entwicklung und den Betrieb von LPB mit einer anwendungsrelevanten Qualität und Stabilität bilden.