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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-95765
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9576/


Spectroscopic Electron Density Determination of Plasma Targets for Plasma Wakefield Acceleration

Spektroskopische Elektronendichtebestimmung von Plasmazielen für Plasma Wakefield Beschleunigung

Goldberg, Lars

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SWD-Schlagwörter: Plasma , Spektroskopie , Spektrallinie , Beschleunigung , Elektronendichte
Freie Schlagwörter (Deutsch): Stark Verbreiterung , Plasma Beschleunigung
Freie Schlagwörter (Englisch): Stark broadening , Plasma Wakefield Acceleration
Basisklassifikation: 33.80 , 33.05 , 33.07
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schmidt, Bernhard (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.08.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 14.02.2019
Kurzfassung auf Englisch: One of the key issues for the generation of stable and reproducible beams in plasma particle accelerators is control of the initial plasma density distribution. Not only the longitudinal but also the transverse density profile, the species distribution as well as fragmentation and ionization dynamics can have significant impact on the generated beams. In particular at FLASHForward, where the creation of the plasma and the driving of the wakefield are decoupled and which aims to investigate advanced electron injection and beam-transport mechanisms, the precise knowledge of these parameters is vital. Currently established methods, like interferometry or gas density diagnostics using scattering processes, only allow for gas targets operated at densities well above 10^17 cm^{−3} and lack versatility.
This thesis reports on electron density measurements based on the Stark broadening of the spectral lines of hydrogen. The different approaches to convert the linewidth and shift to an electron density have been compared. The electron density of a capillary discharge plasma has been shown to reach its peak value at the beginning of the discharge and decreases over its duration. Furthermore, the spectroscopic measurements allowed for the identification of the capillary’s sapphire material as a secondary plasma source besides the hydrogen gas. The successful creation of longitudinal density ramps has also been demonstrated with pure hydrogen gas as well as a mixture of hydrogen and helium. Laser-induced plasmas have been shown to expand during their lifetime of up to 1 μs, with both expansion time and lifetime depending on the backing pressure. Moreover, the transverse density profile changes significantly during the first ∼ 10 ns, with the timescale of the change depending on the backing pressure. This rapid change in the density profile in combination with the rapid expansion led to a measured on-axis density below 10^17 cm^{−3}, independent of the backing pressure. It was thereby identified as partially responsible for the unsuccessful attempts to calibrate the spectroscopic density measurements against interferometric density measurements. Furthermore, nonlinear effects induced by the laser pulse when passing through the focusing optics were identified as a second possible reason. These effects led to a change to reflective focusing optics for the plasma creation at FLASHForward.
Kurzfassung auf Deutsch: Einer der Schlüsselaspekte für die Erzeugung von stabilen und reproduzierbaren Elektronenstrahlen in plasmabasierten Teilchenbeschleunigern ist die Kontrolle der anfänglichen Plasmadichteverteilung. Nicht nur das longitudinale, auch das transversale Dichteprofil, die Verteilung der Gasarten sowie Fragmentations- und Ionisationsdynamiken können einen erheblichen Einfluss auf die erzeugten Strahlen haben. Insbesondere bei FLASHForward, wo die Plasmaerzeugung und das Treiben des Wakefields entkoppelt sind und das darauf abzielt fortgeschrittene Elektroneninjektions- und Strahltransportmechanismen zu untersuchen, ist die genaue Kenntnis dieser Parameter entscheidend. Derzeit etablierte Methoden, wie Interferometrie oder Gasdichtediagnostiken basierend auf Streuprozessen, erlauben nur Gaszellen die bei Dichten oberhalb von 10^17 cm^{−3} arbeiten und sind unflexibel.
Diese Arbeit berichtet über Elektronendichtemessungen basierend auf der Starkverbreiterung der Spektrallinien des Wasserstoffs. Die verschiedenen Ansätze die Linienbreite und -verschiebung in eine Elektronendichte umzuwandeln wurden verglichen. Es wurde gezeigt, dass die Elektronendichte eines Kapillarentladungsplasmas ihr Maximum zu Beginn der Entladung erreicht und über die Dauer der Entladung absinkt. Außerdem erlaubten die spektroskopischen Messungen die Identifikation des Saphirs aus dem die Kapillare besteht als sekundäre Plasmaquelle neben dem Wasserstoffgas. Ebenso wurde die erfolgreiche Erzeugung von longitudinalen Dichterampen mit purem Wasserstoffgas sowie mit Helium-Wasserstoff Gemischen demonstriert. Es wurde gezeigt, dass Laser induzierte Plasmen während ihrer Lebensdauer von bis zu 1 μs expandieren, wobei sowohl die Dauer der Expansion als auch die Lebensdauer vom Gasdruck abhängen. Darüber hinaus verändert sich das transversale Dichteprofil signifikant während der ersten ∼ 10 ns, wobei die Zeitskala der Veränderung vom Gasdruck abhängt. Diese schnelle Änderung des Dichteprofils in Kombination mit der schnellen Expansion führte zu einer gemessenen Dichte von unter 10^17 cm^{−3} auf der Laserachse. Dieses Verhalten wurde damit als teilweise verantwortlich für die fehlgeschlagenen Versuche die spektroskopischen Dichtemessungen mit interferometrischen Dichtemessungen zu kalibrieren identifiziert. Außerdem wurden nichtlineare Effekte die beim Durchgang des Laserpulses durch die Fokussieroptiken auftreten als weiterer Grund dafür identifiziert. Diese Effekte führten zu einem Wechsel auf reflektive Fokussieroptiken für die Plasmaerzeugung bei FLASHForward.

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