Kurzfassung
Plasma-basierte Elektronen-Beschleunigung nutzt typischerweise Kapillaren als Gas-Zelle, in welchen ein Plasma durch einen Hochspannungsstrompuls erzeugt wird. Die initiale Elektronendichte-Verteilung im Plasma spielt eine entscheidende Rolle im Beschleunigungsprozess der Elektronen-Pakete. Durch eine kontrollierte Steuerung der longitudinalen (und radialen) Elektronendichte-Verteilung im Plasma kann die
Qualität des beschleunigten Elektronen-Pakets positiv beeinflusst werden, und sogar ihre verbesserte Stabilität und Reproduzierbarkeit erreicht werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die zeitliche Entwicklung von Elektronendichte-Profilen in herkömmlichen Gas-Zellen für die Beschleunigung von Elektronen in einem Plasma mit
Fokus auf der Charakterisierung von zentralen Plasma-Dichte-Diagnostiken in ihren Möglichkeiten und Grenzen. Einerseits ist ein detailliertes Verständnis der Prozesse während der Plasma-Erzeugung sowie das Verhalten des zugehörigen Plasmas in einer Hochspannungs-Entladungs-Plasma-Zelle Voraussetzung für die erfolgreiche
Beschleunigung in Plasma. Andererseits erfordert die Diversität der geplanten Experimente im FLASHForward Projekt am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) mit dem Ziel der systematischen Erforschung der grundlegenden Prozesse der Elektronenbeschleunigng in Plasma eine grosse Flexibilität der Dichte-Charakterisierung über einen Bereich von etwa 10^15 cm−3 bis 10^19 cm−3. Darüberhinaus können besagte Experimente unterschiedliche Anforderungen an die räumliche und zeitliche Auflösung, sowie die Sensitivität und Zell-Geometrie angepasste Anwendbarkeit der Dichte-Diagnostik stellen. Deshalb behandelt die vorgelegte Arbeit systematisch die Möglichkeiten und Grenzen von Plasma-Emissionsspektroskopie, spektraler Zwei-Farben Interferometrie und Phasenvorschub Interferometrie. Emissionsspektroskopie verspricht eine höhere Dichte-Sensitivität als gegenwärtig
verfügbare Dichte-Mess-Methoden wie zum Beispiel Plasma-Interferometrie. Weiterhin erlaubt die spektroskopische Messung eine direkte räumlich aufgelöste Messung, während interferometrische Methoden gemeinhin die Sichtlinien-integrierte Plasmadichte messen und so nur indirekte Rückschlüsse auf Plasmadichte-Profile erlauben.
Häufig leitet die Plasma-Emissionsspektroskopie die Elektronendichte im Plasma ab durch einen Vergleich theoretisch berechneter und experimentell gemessener Balmer-Serie Spektrallinienbreite von Wasserstoffatomen, bestimmt durch den sogenannten Stark-Effekt. Dieses Vorgehen setzt Annahmen an die Temperatur der Elektronen im Plasma, als auch thermische Gleichgewichtszustand des Plasmas voraus. Die Schwie-
rigkeiten und Fehlerquellen im Bezug auf die Stark-verbreiterte spektrale Linienbreite werden erläutert und angemessene Verfahren vorgeschlagen. Ausserdem werden experimentell gewonnene Plasmadichten aus Plasma-Spektroskopie mit denjenigen aus Plasma-Interferometrie verglichen um ihre Gültigkeit zu überprüfen.
The initial electron density of plasmas plays a critical role during the plasma-based acceleration of electrons. Plasma targets can be tailored to specific electron density distributions in the longitudinal and sometimes transverse direction to allow for the preservation of beam quality during the acceleration of electron bunches and also improve stability and reproducibility of the generated beams. Various experiments planned to study the mechanisms of wakefield acceleration in the FLASHForward project at DESY require a density characterisation over a broad density range, i.e. of order 10^15 cm−3 to 10^19 cm−3. Besides, these experiments can request different spatial and temporal resolution, the sensitivity of the plasma density diagnostics as well as different target geometries. This work reports on the temporal evolution of plasma profiles in capillary-discharge based plasmas for beam-driven wakefield acceleration. The present thesis systematically investigates the capabilities and limits of plasma-emission spectroscopy, two-colour spectral interferometry and transverse spatial interferometry used to characterise these plasmas. Emission spectroscopy has the potential of being more sensitive than interferometry. Furthermore, the spectroscopic measurements are spatially resolved, whereas plasma interferometry measures electron densities line-of-sight-integrated. In plasma spectroscopy, the electron density in the plasma is obtained from the comparison of theoretical and experimental Stark-broadened linewidth of the hydrogen Balmer lines. The analysis procedure includes assumptions on the plasma temperature and plasma equilibrium conditions. This work discusses some difficulties and error sources on the Stark-width determination encountered during experimental line profile analysis and suggests appropriate procedures. Experimental data can be used to validate the three density diagnostics against one another.