Kurzfassung
In dieser Arbeit werden neue Konzepte vorgestellt, mit denen derzeitige Probleme von plasmabasierten Beschleunigern adressiert werden. Diese Konzepte beruhen auf einer Kombination von Plasmabeschleunigerstufen mit einer magnetischen Schikane. Sie zeigen, dass Strahlen im GeV-Bereich mit einer Energiestabilität im Sub-Prozentbereich und bisher nicht erreichter Energieunschärfe im Sub-Promillebereich produziert werden können. Eine so geringe Energieunschärfe, die mindestens eine Größenordnung unter dem derzeitigen Stand der Technik liegt, konnte durch ein besseres Verständnis der Strahldynamik solcher Beschleunigertypen erreicht werden. Dieses basiert auf der Entwicklung eines neuen, den Beschleunigertypen entsprechenden, analytischen Modells, das bislang unberücksichtigte Energieunschärfequellen mit betrachtet. Diese Arbeit enthält zusätzlich zu Machbarkeitssimulationsstudien und konzeptionellen Designs eine umfassende Toleranz- und Empfindlichkeitsstudie des Beschleunigerkonzepts. Diese systematische Studie war nur durch einen schnellen Teilchen-Tracking Code möglich, welcher innerhalb dieser Arbeit entwickelt und integriert wurde. Die hier vorgestellten positiven Ergebnisse zeigen einen neuen Weg auf zur Realisierung von zuverlässigen, plasmabasierten Beschleunigern von hoher Qualität mit einer Vielzahl von Anwendungen. Zu diesen zählt die Entwicklungsmöglichkeit von kompakten plasmabasierten Freien-Elektronen-Lasern, welche durch die herausragenden Strahleigenschaften der hier vorgestellten Schemata möglich wird. Dank dieser vielversprechenden Aussichten wurde ein in dieser Arbeitet entwickelter und auf den präsentierten Methoden basierender 6 GeV-Beschleuniger als eine Basisoption für das internationale EuPRAXIA Projekt ausgewählt. Zusätzlich sind mehrere Ideen und Studien aus dieser Arbeit in Peer-Review Zeitschriften wie Physical Review Letters und Scientific Reports veröffentlicht worden.
In this work, new concepts for solving some of the current challenges of plasma-based acceleration are proposed and explored. These concepts, which rely on a combination of plasma-acceleration stages with a magnetic chicane, show that GeV-range beams with sub-percent energy stability and an unprecedented sub-per-mille energy spread could be produced. Achieving such a low energy spread, which is at least an order of magnitude below current state-of-the-art, has only been possible thanks to an improved understanding of the beam dynamics in this type of accelerators and the subsequent analytical modelling of previously unaccounted sources of energy spread. In addition to proof-of-principle simulations and conceptual designs, a comprehensive study of sensitivity and tolerances of the acceleration concept is included here. This systematic study has only been possible thanks to a fast particle tracking code which has been integrally developed within this work. The positive findings presented here provide a new way towards the realization of reliable and high-quality plasma-based accelerators with a broad range of applications. Among these, the outstanding beam properties that can be reached with the presented schemes would allow for the demonstration of compact plasma-driven free-electron lasers. Thanks to these good prospects, the conceptual design of a 6 GeV accelerator based on the presented methods, which has been realized as part of this work, has been selected as a baseline option for the international EuPRAXIA project. Several of the ideas and studies carried out within this thesis have been published in peer-reviewed journals including Physical Review Letters and Scientific Reports.