Kurzfassung
Plasmabasierte Beschleunigung ist eine vielversprechende neue Beschleunigertechnologie, welche extrem hohe elektrische Feldstärken von 10 bis 100 GV/m liefert. Heutzutage sind die technischen Rahmenbedingungen gegeben, um durch hochintensive
Laserpulse starke Plasmawellen zu treiben. Dieses kann ebenso mittels Teilchenstrahlen von konventionellen Hochfrequenz-Beschleunigern erreicht werden, sodass diese als Energieverstärker genutzt werden können. Zusätzlich ist das Forschungsfeld der konventionellen Beschleunigung lang erprobt und gut verstanden, so dass Strahlen aus diesen als Proben zur Untersuchung der Plasmawelle und des Beschleunigungsprozesses
genutzt werden können. Zu diesem Zweck wird eine neue Anlage
gebaut: FLASHForward. Aufgrund der unzureichenden Strahlenergie, die nicht ausreicht um ein Plasma zu erzeugen, ist ein zusätzliches Hochleistungslasersystem verfügbar.
Dieses ist dabei selbst im Stande Plasmawellen zu treiben. Daher wurde ein lasergetriebener Plasmabeschleuniger gebaut und in Betrieb genommen. Diese Arbeit berichtet über die eingerichtete Infrastruktur, d.h. dem Laser sowie dem Beschleuniger mitsamt den dazugehörigen Diagnostiken, welche zur Vorbereitung
von FLASHForward genutzt werden soll. Insbesondere können Plasmatargets sowie Diagnostiken untersucht und getestet werden aber auch eigenständige Experimente durchgeführt werden.
Insbesondere ist der Fokus dieser Arbeit daher auf die Diagnostik der Elektronenstrahlen gerichtet. Da Plasmabeschleuniger kurz Bunche erzeugen, aber auch um einen Einblick in den Beschleunigungsprozess zu gewinnen sowie für die Vergleichbarkeit mit der konventionellen Beschleunigung, ist deren Detektion von Interesse. Eine Standardmethode ist der Einsatz von Leuchtschirmen. Für die niedrigen Ladungen, die bei der Plasmabeschleunigung entstehen können, wurden Phosphorschirme von hoher Sensitivität untersucht und kalibriert. Zur longitudinalen Profilbestimmung mittels üblicher spektraler Untersuchungen wurde ein Messtechnik für die spektrale Phase eingeführt, mit welcher die Ungenauigkeiten umgangen werden können, die aus einer Phasenrekonstruktion entstehen.
Die Emittanz ist ein Schlüsselparameter in der Beschleunigerphysik und ein Maß für die Strahlqualität, der sowohl für die Teilchenphysik als auch für Lichtquellen von Bedeutung ist. Typischerweise wird die Emittanz außerhalb des Plasmas gemessen, wobei der Übergang vom Plasma zum Vakuum Einfluss auf diese haben kann. In dieser Arbeit wird die intrinsisch abgestrahlte Betatron-Strahlung genutzt, um einen Zugang zu der Emittanz im Plasma zu erhalten. Elektronenstrahlen, die sowohl durch Selbst- als auch mittels Ionisationsinjektion erzeugt wurden, werden verglichen, die abgestrahlten Röntgenstrahlen untersucht und die Emittanz auf Mikrometerlevel extrahiert sowie mit numerisch-analysierten PIC-Simulationen evaluiert.
Plasma wakefields are a promising approach for the acceleration of electrons with ultrahigh (10 to 100 GV/m) electric fields. Nowadays, high-intensity laser pulses are routinely utilized to excite these large-amplitude plasma waves. Particle beams from conventional radio-frequency accelerators can also excite such waves and therefore may work as an energy booster. In addition, this long-existing technology is quite well understood such that the particle beams can be operated as probes to gain an insight into the plasma waves and the acceleration process within them. For this purpose, among others, a new facility is being set up: FLASHForward. Owing to the particle beam planned to drive the plasma wakefield not being powerful enough to ionize the applied gas and generate a plasma, a high-power laser is available, which by itself is capable of driving plasma waves. Thus, a laser-driven plasma wakefield accelerator could be built and commissioned to support the operation of FLASHForward as well as for stand-alone experiments. This thesis reports on the implemented infrastructure, including the laser and the accelerator with the appertaining diagnostics, which can be used to prepare FLASHForward covering target investigations, diagnostics or experiments. Especially, this thesis is focused on diagnostics for the electron beam. Since plasma accelerators can produce short bunches to gain insight into the acceleration process as well as allow a comparison of the beam quality with respect to conventional acceleration their detection is of interest. A basic detection method is the application of scintillating screens. For the low charges which are typical of plasma acceleration, a high-sensitivity phosphor screen was investigated and calibrated. For longitudinal profiling based on common spectroscopic investigations, a spectral phase measurement technique is suggested to overcome ambiguities based on the phase retrieval. The emittance is a key parameter in accelerator science and a measure of the beam quality important for particle physics as well as light sources. Typically, the emittance is measured after the plasma interaction where the plasma transition to the vacuum might have affected it. Here, betatron radiation is accessed to get an insight into the emittance inside the plasma. Beams both from self and ionization injection are compared, the emitted betatron radiation is investigated and the micron-level emittance deduced as well as related to numerically analyzed PIC simulations.