Kurzfassung
Teilchenstrahl-getriebene Plasma-Kielfeld-Beschleuniger (englisch plasma-wakefield accelerator, PWFA) können Beschleunigungsgradienten von GV/m erreichen. Damit übertreffen sie die derzeit standardmäßig verwendete Hochfrequenztechnologie um mehrere Größenordnungen. Die Hochfrequenztechnologie besteht aus metallischen Beschleunigerstrukturen,
deren beschleunigende Felder wegen elektrischen Überschlags auf ∼ 100 MV/m limitiert ist. Plasmabeschleuniger sind damit ein vielversprechender Ansatz um die Größe und folglich auch die Kosten zukünftiger Beschleunigeranlagen drastisch zu verringern. Durchläuft ein auf wenige Mikrometer fokussiertes, ultra-relativistisches, geladenes Teilchenbündel Plasma, wird eine Dichtemodulation der Plasmaelektronen im Nachlauf des Teilchenbündels angeregt. In den so entstandenen elektrischen Feldern kann ein weiteres Teilchenbündel eingesetzt werden und in wenigen Metern auf Energien von GeV beschleunigt werden. Um Plasmabeschleunigung als zukunftsweisende Beschleunigertechnologie zu etablieren, muss eine Strahlqualität ähnlich der in herkömmlichen Beschleunigern möglich sein. Theoretische Vorhersagen deuten darauf hin, dass Plasmabeschleuniger in der Lage sind die Strahlqualität während des Beschleunigungsprozesses zu erhalten. Der aktuelle Forschungsschwerpunkt ist es dies auch experimentell nachzuweisen.
In dieser Arbeit wird das Potenzial einer transversal ablenkenden X-Band Struktur (englisch transverse deflection structure, TDS) als unterstützende Diagnostik für einen Plasmabeschleuniger ausgelotet. Diese neu entwickelte Diagnostik erlaubt es den longitudinalen
Phasenraum eines Elektronenbündels in bisher unerreichtem Detail zu vermessen und zeichnet sich insbesondere durch die Femtosekunden-Auflösung als auch die variable Polarisation des ablkenkenden Feldes aus. Mit dieser neuartigen Diagnostik konnten zwei fundamentale Mechanismen zur Erhaltung der Qualität des beschleunigten Teilchenbündels in einem Plas-
mabeschleuniger untersucht werden. Zunächst wird der Mechanismus des optimalen Beam Loadings zur Erhaltung der Energiebreite beobachtet. Außerdem wird die Homogenität der erzeugten Gradienten im Kielfeld untersucht. In der FLASHForward-Anlage (DESY, Hamburg) wurde der resultierende longitudinale Phasenraum eines in Plasma um 44 MeV beschleunigten 1-GeV-Teilchenbündels direkt beobachtet. Dabei wurde eine transversale Homogeneität des beschleunigenden Feldes von 0, 8 % (1, 5 %) mit einem Konfidenzintervall von 68 % (95 %) gemessen. Die direkte Abhängigkeit des Beam Loadings von der genauen Form des Stromprofils der Teilchenbündel konnte außerdem direkt beobachtet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse demonstrieren experimentell die theoretisch
prognostizierte Eignung von PWFA für zukünftige Anwendungen, die den Erhalt einer hohen longitudinalen Phasenraum-Qualität des Strahls erfordern. Die Modellierung der Strahl-Plasma-Wechselwirkung in einem Particle-in-Cell-Code macht die Empfindlichkeit des PWFA-Beschleunigungsprozesses gegenüber der Phasenraumverteilung der einfallenden Teilchenbündels deutlich. Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen auf, dass PWFA zwar die gewünschten Feldgeometrie liefern kann, aber eine verbesserte Kontrolle über die Produktion von Bündel-Paaren erforderlich sein wird, um eine stabile und qualitätserhaltende Beschleunigung bei höheren Energiegewinnen zu demonstrieren.
A plasma can sustain electric fields orders of magnitude larger than those attainable with the conventional radio-frequency (RF) technology typically used in particle accelerators, which are limited to ∼ 100 MV/m due to electrical breakdowns occurring at the metallic boundary of the accelerating structures. In a particle-beam-driven plasma-wakefield accelerator (PWFA), a charge-density wake sustaining field gradients in excess of GV/m is driven by the passage of a relativistic high-intensity particle bunch through a plasma. By harnessing the gradients of the wake, particles trailing behind the wakefield-driving bunch can be accelerated to GeV energies over meter distances, thus enabling a drastic reduction of the size of accelerator componenents and, consequently, potentially reducing the costs of future accelerator facilities. Despite this promise, however, for PWFA to be a viable technology, the quality of the accelerated bunches must match that achieved by RF-based state-of-the-art FEL linacs and particle colliders. Even though theoretical predictions suggest that PWFA schemes are capable of producing electric-field profiles with properties sufficient to preserve the longitudinal- phase-space structure of the accelerating beam, direct experimental demonstration has not yet been achieved. In the work presented in this thesis the diagnostic capabilities of a novel X-band transverse deflection structure (TDS)—featuring femtosecond resolution and a variable polarisation of the streaking field—are exploited to investigate two mechanisms enabling the preservation of the energy spread of electron beams accelerated in a nonlinear plasma wake: optimal beam loading to preserve the correlated energy spread and a fully evacuated ion column to preserve the uncorrelated energy spread. By directly observing the longitudinal phase space of 1-GeV bunches accelerated 44 MeV in a nonlinear plasma wake, experiments performed at the FLASHForward facility (DESY, Hamburg) demonstrate that the longitudinal accelerating gradients are transversely homogeneous to within 0.8 % (1.5 %) at an interval of confidence of 68 % (95 %) and show variable amounts of beam loading depending on the exact shape of the current profile of the driver-trailing-bunch pair. The results presented in this work experimentally demonstrate the predicted suitability of PWFA for future applications requiring the preservation of high longitudinal beam quality. Furthermore, a reconstruction of the beam-plasma interaction in a particle-in-cell code has been accomplished, which illustrates the extreme sensitivity of the PWFA acceleration process to the phase-space distribution of the incoming beams. These achievements suggest that, while PWFA is capable of producing the desired field geometries, an improved control over the production of driver-trailing-bunch pairs will be required to demonstrate stable and quality-preserving acceleration at higher energy gains.