Kurzfassung
Die Beschleunigung von Elektronen in Plasmawellen erfuhr ein sehr schnell steigendes
Interesse und schürte große Erwartungen, die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern
mit hoher Energie, möglicherweise höherer Qualität und sogar geringeren
Kosten werden zu können. Um sich diesen weitreichenden Zielen zu nähern, erforscht
die vorliegende Arbeit die—aus der Sicht des Autors—besten Konzepte der Plasmawellenbeschleunigung
und deren Kombination.
Hierfür werden die physikalischen Voraussetzungen zum Treiben von einem Teilchenstrahl
getriebenen Plasmawellenbeschleuniger (PWFA), welcher qualitativ sehr hochwertige
Elektronenpakete bieten kann, durch einem Laser getriebenen Plasmawellenbeschleuniger
(LWFA) zum ersten Mal im Detail untersucht. Dieser hybride Plasmawellenbeschleuniger
kann dabei umgehen, dass ein großer, kostenintensiver konventioneller
Teilchenbeschleuniger benötigt wird, um einen geeigneten Treiber für den PWFA zu
erzeugen, dadurch, dass dieser Treiber mit einem besser verfügbaren Hochenergie-
Laser in einem LWFA erzeugt wird. Die qualitativ hochwertigen Elektronenpakete
können dann in dem PWFA durch die Plasma-Photokathode Injektion (Trojan Horse)
erzeugt werden, die vor kurzem experimentell bestätigt wurde.
Zusätzlich wird eine neue Injektionstechnik diskutiert, welche von dem Autor und
anderen publiziert wurde. Mit dieser Methode gelang es nicht nur kurz nach der
Publikation erfolgreich Elektronen in einen PWFA zu injizieren, sondern auch die
anspruchsvolle Synchronisation zur Verfügung zu stellen, welche ausschlaggebend
zum Erfolg des ersten Trojan Horse Experiments beitragen konnte.
Zuletzt wird das in dem hybriden Plasmawellenbeschleuniger erzeugte qualitativ hochwertige
Elektronenpaket dazu verwendet, einen freien Elektronen Laser (FEL) zu treiben,
um die Leistungsfähigkeit des erzeugten Elektronenpakets zu demonstrieren. In dieser
Arbeit werden die hybride LWFA-PWFA Stufe, eine anschließende Elektronenpaket-
Transportstrecke und der FEL mathematisch beschrieben, in dreidimensionalen Computersimulationen
genau modelliert und abschließend visualisiert und analysiert.
Plasma wakefield acceleration has experienced a rapidly growing interest and raised high expectations to become the next generation of particle accelerators with high energies, producing possibly better quality beams at an affordable cost. To approach these far-reaching goals, this work investigates the—in the opinion of the author—best implementations of plasma wakefield acceleration. Therefore, the physical requirements to drive a particle-beam-driven plasma wakefield accelerator (PWFA), which can provide very high-quality electron bunches, with a laser-driven plasma wakefield accelerator (LWFA), will be investigated in detail for the first time. This hybrid plasma wakefield accelerator can avoid the necessity of an expensive, large-scale particle accelerator to generate a suitable PWFA drive beam, by generating the drive-beam with a much cheaper high-power laser in a LWFA. The high-quality electron bunches are generated by the underdense plasma photocathode injection (Trojan Horse) technique in PWFA, which was recently demonstrated experimentally. In addition, a novel injection technique, which was recently published by the author and others, will be discussed. With this technique, shortly after the publication appeared, it was possible to not only successfully inject charge into a PWFA, but to provide the crucial synchronization in the proof-of-principle experiment that demonstrated the Trojan Horse injection. Finally, the high-quality bunch from the hybrid plasma wakefield accelerator is further processed and utilized as the driver for a free-electron laser (FEL), to demonstrate the application of the generated electron bunch. In this thesis, the hybrid LWFA-PWFA stage, a subsequent electron-bunch transport line, and the FEL will be described mathematically and accurately modeled by three-dimensional simulations.