Kurzfassung
Die Beschleunigung von Elektronenstrahlen in Plasma-Wakefeldern, die von geladenen Teilchenstrahlen angetrieben werden, gehört zu den vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige kompakte Elektronenbeschleuniger im TeV-Bereich.
Derzeit verfügbare Hochenergie-Protonenstrahlen, die als Treiberstrahlen in einem Plasma-Wakefeld-Beschleuniger (PWFA) eingesetzt werden könnten, sind viel länger als das, was zur effizienten Anregung von Wakefeldern mit hoher Amplitude und damit zur Erzeugung der gewünschten hohen Beschleunigungsgradienten erforderlich ist.
Die self-modulation instability (SMI) ist ein Phänomen, das die Umwandlung eines langen geladenen Teilchenstrahls in eine Folge äquidistanter kurzer Bündel beim Durchgang durch Plasma ermöglicht.
Solche Bündelzüge können Wakefelder im Plasma resonant antreiben und Beschleunigungsgradienten mit mehreren GV/m erzeugen.
Am CERN wurde das Experiment AWAKE als Machbarkeitsstudie gestartet, um die Beschleunigung von Elektronen in Plasma-Wakefeldern zu demonstrieren, die von selbstmodulierten (self-modulated) Protonenstrahlen angetrieben werden.
Da die zugrundeliegende Physik der SMI für jeden geladenen Teilchenstrahl die gleiche ist, ist die Verwendung von Elektronenstrahlen zur Untersuchung der SMI eine attraktive Option, da Elektronenstrahlen leichter zu handhaben sind.
Die Photo Injector Test Facility (PITZ) bei DESY in Zeuthen bietet die einzigartige Möglichkeit, die Eigenmodulation (self-modulation) langer Elektronenstrahlen im Plasma zu studieren und experimentell zu demonstrieren: hier können lange Elektronenstrahlen erzeugt werden und das Labor verfügt über eine Vielzahl von Diagnosegeräten für die Charakterisierung des Elektronenstrahls.
Für die SMI-Untersuchungen sind Messungen des longitudinalen Phasenraums von großer Bedeutung, da sie charakteristische Merkmale der SMI widerspiegeln.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der ersten experimentellen Demonstration der SMI, für die lange Elektronenstrahlen durch Plasma geleitet wurden.
Vorbereitungen für das Eigenmodulations-Experiment, einschließlich der Entwicklung einer Plasmaquelle, werden hier beschrieben.
Ergebnisse der ersten longitudinalen Phasenraummessungen des SMI bei PITZ und unterstützende Strahldynamiksimulationen werden vorgestellt.
The acceleration of electron beams in plasma wakefields driven by charged particle beams is among the most promising candidates for future TeV-scale compact electron accelerators. Currently available high energy proton beams that could serve as driver beams in a plasma wakefield accelerator (PWFA) are much longer than what is required for efficient excitation of high-amplitude wakefields and thus for generating the desired high acceleration gradients. The self-modulation instability (SMI) is a phenomenon which enables the transformation of a long charged particle beam into a train of equidistant short bunches when passing through a plasma. Such bunch trains can resonantly drive wakefields in plasma and generate multi-GV/m acceleration gradients. The proof-of-principle experiment AWAKE was started at CERN to demonstrate acceleration of electrons in plasma wakefields driven by self-modulated proton beams. Since the underlying physics of the SMI is the same for any charged particle beam, the use of electron beams for studying the SMI is an appealing option, as the electron beams are easier to handle. The Photo Injector Test facility at DESY in Zeuthen (PITZ) offers a unique possibility to study and experimentally demonstrate the self-modulation of long electron beams in plasma: it is capable of generating long electron beams, and it possesses a variety of diagnostic devices for the electron beam characterization. For the SMI studies, measurements of the longitudinal phase space are of main importance, as they reflect characteristic features of the SMI. This work is devoted to the first experimental demonstration of the SMI by using long electron beams passing through a plasma. Preparations for the self-modulation experiment, including the development of a plasma source, are described. Results of the first longitudinal phase space measurements of the SMI at PITZ and supporting beam dynamics simulations are presented.