Kurzfassung
Laser-Wakefield-Beschleunigung hat das Potential, die nächste Generation der Beschleunigertechnologie zu werden. Insbesondere die hohen Feldgradienten plasmabasierender Beschleuniger sind eine attraktive Eigenschaft, die mit der Möglichkeit einer signifikanten Reduktion der Größe zukünftiger Beschleunigeranlagen verbunden ist. Trotz der herausragenden Vorteile derartiger Quellen, gibt es allerdings derzeit noch Unterschiede bei der Strahlqualität im Vergleich zu konventionellen Techniken. Insbesondere sind Fluktuationen im Bezug auf Emissionsrichtung und Energiestabilität, wie auch die Energiebreite vergleichsweise groß und begrenzen die Anwendbarkeit von derartig erzeugten Elektronenpaketen.
Die beschleunigten Teilchen werden typischerweise aus dem Plasma selbst eingefangen, das auch als Grundlage für die enorm hohen Feldgradienten im sogenannten wake hinter dem Treiberlaser ist. Aus diesem Grund ist die Teilcheninjektion nicht vollständig kontrollierbar, nicht komplett nachvollziehbar – und somit auch nicht direkt experimentell bestätigt. Um dieses Problem anzugehen ist die Injektion externer Teilchen in ein wakefield ein sinnvoller Ansatz. Denn in diesem Fall sind die Anfangsbedingungen bekannt, so dass eine Rückrechnung und Rekonstruktion des beschleunigenden Feldes möglich sind. Ein derartiges Experiment ist an der Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration (REGAE) geplant und Gegenstand dieser Arbeit. REGAE ist ein kleiner Linearbeschleuniger bei DESY in Hamburg, und besitzt einzigartige Strahlparameter, die für das beschriebene Experiment geeignet sind. Die aus einer derartigen externen Injektion gewonnenen Erkenntnisse sollen durch das vertiefte Verständnis der zugrunde liegenden Plasmadynamiken zur Verbesserung der Strahlqualität von internen Injektionsmethoden dienen. Außerdem ist eine externe Injektion immer von Nöten, sobald sogenanntes staging benutzt wird, d. h. die Aneinanderreihung von mehreren plasmabasierenden Beschleunigerstrukturen. Weiterhin liefert der Nachweis einer derartigen Kopplung von konventioneller und plasmagetriebener Beschleunigertechnik die Grundlage für neuartige Hybridkonzepte, bei denen die ausgereifte Strahlkontrolle konventioneller Elektronenquellen mit den außergewöhnlich hohen Feldgradienten eines Plasma-Boosters kombiniert werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept eines solchen Externe-Injektionsexperiments dargelegt. Die physikalischen Grundlagen werden erläutert und münden in eine umfassende Simulation des gesamten Versuchs. Mit den daraus gewonnen Erkenntnissen wird der geplante Aufbau des Experiments dargelegt.
Die Injektion in eine Plasmawelle mit dem Ziel das beschleunigende Feld zu vermessen setzt voraus, dass die verwendeten Elektronenpakete deutlich kürzer sind als die zugehörige Plasmawellenlänge. Diese beträgt typischerweise wenige zehn Mikrometer. Die konventionell erzeugten Elektronenpakete müssen deshalb komprimiert werden. Bei REGAE wird dazu der sogenannte ballistic bunching Mechanismus benutzt, so dass Elektronenpakete mit einer longitudinalen Ausdehnung von etwa 3 mm entstehen. Noch bessere Ergebnisse können allerdings erzielt werden, wenn Nichtlinearitäten im Zusammenhang mit der Kompression kompensiert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine neuartige Methode beschrieben dies zu erreichen. Sie basiert auf der kontrollierten Expansion der Pakete und wird daher als stretcher mode bezeichnet. Simulationen, die den Ansatz des analytischen Modells bestätigen, lassen darauf schließen, dass Kompressionen im Vergleich zu den Referenzparametern bei REGAE um einen Faktor zehn gesteigert werden kann. Elektronenpakete mit Längen unter 300nm sind möglich, also mit einer Zeitdauer von weniger als einer Femtosekunde (1 fs = 10^−15 s). Zudem ermöglicht die Methode auch eine Kompensation der Energiebreite des erzeugten Elektronenpakets, so dass ein quasi monoenergetischer Strahl entsteht. Darüber hinaus muss betont werden, dass die Methode nicht auf REGAE und ähnliche Maschinen beschränkt ist, sondern auf eine Vielzahl von Beschleunigern erweitert werden kann.
Laser Wakefield Acceleration (LWFA) has the potential to become the next-generation acceleration technique for electrons. In particular, the large field gradients provided by these plasma-based accelerators are an appealing property, promising a significant reduction of size for future machines and user facilities. Despite the unique advantages of these sources, however, as of today, the produced electron bunches cannot yet compete in all beam quality criteria compared to conventional acceleration methods. Especially the stability in terms of beam pointing and energy gain, as well as a comparatively large energy spread of LWFA electron bunches require further advancement for their applicability. The accelerated particles are typically trapped from within the plasma which is used to create the large field gradients in the wake of a high-power laser. From this results a lack of control and access to observing the actual electron injection – and, consequently, a lack of experimental verification. To tackle this problem, the injection of external electrons into a plasma wakefield seems promising. In this case, the initial beam parameters are known, so that a back-calculation and reconstruction of the wakefield structure are feasible. Such an experiment is planned at the Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration (REGAE). REGAE, which is located at DESY in Hamburg, is a small linear accelerator offering unique beam parameters compatible with the requirements of the planned experiment. The observations and results gained from such an external injection are expected to improve the beam quality and stability of internal injection variants, due to the broadened understanding of the underlying plasma dynamics. Furthermore, an external injection will always be required for so-called staging of multiple LWFA-driven cavities. Also, the demonstration of a suchlike merging of conventional and plasma accelerators gives rise to novel hybrid accelerators, where the matured beam control achievable in conventional electron sources is combined with the huge gradients of a plasma booster stage. In this thesis, the concept of the external injection experiment at REGAE is presented. The physical foundations are illustrated and combined into an extensive start-to-end design study. Using the key constraints from this results, the required beam line design is developed. An injection into a plasma wave with the aim of diagnosing the accelerating field inevitably requires electron bunches which are much shorter then the period of the plasma wavelength. This reference length is typically on the order of a few ten microns. The conventionally accelerated particle distribution must therefore be compressed. At REGAE the so-called ballistic bunching scheme is applied, leading to bunches with a longitudinal extent of about 3 mm. Even better results can be obtained if nonlinearities arising in the compression are compensated. A novel method to achieve this, based on the controlled beam expansion, is the stretcher mode. It is developed and described in detail in the second part of this thesis. Simulations that verify the analytic model presented in the thesis suggest a possible decrease in bunch length by a factor of ten and more compared to the design parameters of REGAE. Electron bunch lengths below 300nm, i.e., below one femtosecond (1 fs = 10^−15 s) duration, can be produced. In addition, an energy spread compensation leading to quasi mono-energetic beams can be achieved by this method. Importantly, the approach is not restricted to Regae or similar machines, but can be generalized to a variety of accelerators.