Kurzfassung
Diese Dissertation befasst sich mit Simulationen, Proof-of-Principle-Versuchsaufbauten und ersten Testexperimenten für neue ultrakompakte Teilchenbeschleuniger auf der Basis dielektrischer Strukturen. Aufgrund der hohen Schädigungsschwelle von Nano- und Mikrometer-Dielektrika im optischen Bereich können Beschleunigungsfelder in der Größenordnung von GV/m erzielt werden. Dies ist mehr als eine Größenordnung höher als dies mit herkömmlicher HF-basierter Technologie möglich ist, wodurch Größenbeschränkungen bei Hochenergiebeschleunigern überwunden werden können. Das Accelerator on a CHip International Program (ACHIP) versucht daher einen funktionsfähigen Prototyp eines rein optisch getriebenen, ultrakompakten Teilchenbeschleuniger zu demonstrieren, der auf dieser Technologie basiert. Als Teil der ACHIP-Kollaboration wird DESY am ARES Linac entsprechende Testexperimente durchführen.
Der Aufbau dieses Experiments ist ein zentrales Thema dieser Arbeit. Bei ARES ist geplant, ultrakurze relativistische Elektronenpakete in laserbeleuchtete dielektrische Gitterstrukturen (DLA) zu injizieren. Ziel des Experiments ist es, erstmals eine Nettobeschleunigung mit geringem Energieverteilungswachstum zu demonstrieren. Darüber hinaus soll ein Konzept zur phasensynchronen Beschleunigung von Microbunch-Trains implementiert werden, das den stabilen Schuss-zu-Schuss-Betrieb ermöglicht. Zu diesem Zweck wurden das Layout des ersten Experimentierbereichs bei ARES, sowie mehrere Schlüsselkomponenten entworfen. Das gesamte Experiment wurde von Anfang bis Ende simuliert, sowohl unter Verwendung gut etablierter Codes als auch des neuartigen Codes DLATracker, der im Rahmen dieser Arbeit programmiert wurde. Er ermöglicht eine um Größenordnungen schnellere Elektronenstrahlsimulation in DLA-Strukturen als herkömmliche Partikel-in-Cell-Codes. Es wurden zudem numerische Simulationsstudien durchgeführt, um Lösungen für die transversale Fokussierung in DLAs, sowie die Herausforderung der sub-fs-Synchronisation und des Timings zu untersuchen.
Zusätzlich zu dem ACHIP-bezogenen Experiment werden in dieser Arbeit zwei weitere Experimente vorgeschlagen, die auf dielektrisch ausgekleideten Wellenleitern (DLW) im Mikrometerbereich basieren. Diese beiden Experimente sollen zeigen, dass dielektrische Strukturen sowohl in neuartigen als auch in konventionellen Beschleunigerkontexten als effiziente Vorrichtungen zur Manipulation und Diagnose des Phasenraums eingesetzt werden können. Im ersten Experiment, das am REGAE-Beschleuniger bei DESY durchgeführt werden soll, kann - in Simulation - Sub-fs Bunchlängenauflösung mithilfe einer Sub-THz getriebenen, DLW-basierten transversalen Ablenkstruktur (TDS) erreicht werden. Das zweite vorgeschlagene Experiment konzentriert sich auf 3D-gedruckte DLWs, die als passive Longitudinalphasenraumsynthesizer verwendet werden können.
Diese Dissertation untersucht daher die Physik und das Potenzial von dielektrischen Beschleunigern im Nano- und Mikrometerbereich, beschreibt den Aufbau erforderlicher Proof-of-Principle-Experimente und diskutiert schließlich die möglichen Anwendungsbereiche.
This thesis is about simulations, proof-of-principle experimental setups and first test experiments for new ultra-compact particle accelerators based on dielectric structures. Due to the high damage threshold of nano- and micrometer-scale dielectrics in the optical regime, accelerating fields on the order of GV/m can be achieved. This is more than an order of magnitude higher than what is possible with conventional RF-based technology, overcoming size limitations in high energy accelerators. The Accelerator on a CHip International Program (ACHIP) aims to demonstrate a working prototype of an all-optical, ultra-compact particle accelerator, based on this technology. Being part of the ACHIP collaboration, DESY will conduct related test experiments at its ARES linac. The design of this experiment is a central topic of this thesis. At ARES, it is planned to inject ultra-short relativistic electron bunches into laser-illuminated dielectric grating structures (DLA). The goal of the experiment is to show for the first time net-acceleration with low energy spread growth. In addition to that, a scheme for phase-synchronous acceleration of microbunch trains is planned to be implemented, enabling the demonstration of stable shot-to-shot operation. To this end, the layout of the first experimental area at the ARES linac and several key components were designed. The whole experiment was simulated start-to-end both using well established codes, as well as the novel code DLATracker, which was programmed as part of this thesis. It enables orders of magnitude faster beam simulation in DLA structures compared to traditional particle-in-cell codes. Also, numerical simulation studies were performed to investigate solutions for transverse focusing in DLAs, as well as the challenge of sub-fs synchronization and timing. In addition to the ACHIP-related experiment, two other experiments based on micrometer-scale dielectric lined waveguides (DLW) are proposed in this work. These two experiments can show that dielectric structures are suitable to be used as efficient phase space manipulation and diagnostic devices in both novel and conventional accelerator contexts. In the first experiment, planned to be conducted at the REGAE accelerator at DESY, sub-fs bunch length measurement resolution is achieved in simulation using a sub-THz-driven DLW-based transverse deflecting structure (TDS). The second proposed experiment is centered around 3D-printed DLWs that can be used as passive longitudinal phase space synthesisers. This thesis thus explores the physics and the potential of nano- and micrometer-scale dielectric accelerators, describes the design of required proof-of-principle experiments and finally discusses the possible application reach.