Kurzfassung
Das Beschleunigen von Elektronen auf relativistische Energien durch die Interaktion ei- nes intensiven Laserfelds und eines Plasmas ist eine vielversprechende Technologie um zukünftige Anwendungen, wie zum Beispiel kompakte Lichtquellen, zu betreiben. Solche Anwendungen setzen jedoch ein hohes maß an Strahlqualiät vorraus. Es ist deshalb not- wendig, den Injektions- und Beschleunigungsprozess genau zu kontrollieren, um damit die Parameter der laser-plasma beschleunigten Elektronenstrahlen einzustellen.
In dieser Arbeit wird die Erzeugung von Elektronenstrahlen mittels Ionisationsinjektion in einem Stickstoff dotierten Wasserstoff Plasma hinsichtlich der Durchstimmbarkeit und des Optimierungspotentials untersucht. Eine, auf einer Kapillare basierende, Plasmaquel- le wurde mittels 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen entwickelt und charakterisiert. Mit dieser Plasmaquelle konnten umfassende Parameter Scans durchge- führt werden. Eine weitreichende Durchstimmbarkeit der Elektronenstrahleigenschaften konnte nachgewiesen werden, indem die Fokusposition des Lasers, die Pulsenergie, die Plasmadichte und die Stickstoffkonzentration verändert wurden. Die erzeugten Elektro- nenstrahlen hatten Spitzenenergien im Bereich von 200 MeV bis 350 MeV, Strahlladungen zwischen 100 pC und 350 pC bei einer Schuss-zu-Schuss Stabilität die im Bereich von we- nigen Prozenten lag. Der Beschleunigungsprozess wurde optimiert , indem beam laoding Effekte mit der Stickstoffkonzentration und der Pulsenergie des Laser angepasst wurden. Dies reduzierte die Energiebreite der Elektronenstrahlen während die Spitzenladungs- dichte gleichzeitig erhöt wurde.
Die transversalen Eigenschaften der Elektronenstrahlen waren sehr sensitiv auf die Pul- senergie des Laser. Damit war es möglich, die Divergenz und die Emittanz der Elektro- nenstrahlen sehr genau zu verändern. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung dar, um die Elektronenstrahlen für den Transport mit Elektronenoptik zu optimieren.
Die Ergebnisse der weitreichenden Parameter Scans konnten mit Particle-In-Cell (PIC) Simulation bestätigt werden. Dadurch konnte ein tiefreichendes Verständniß von den Injektions- und Beschleunigungsprozossen im Bereich der Ionisationsinjektion erlangt werden. Die Ergebnisse und die gezeigten Zusammenhänge können den Parameterraum in dem der Beschleuniger in zukünftigen Experimenten betrieben werden soll vorgeben und helfen bei der Entwicklung neuer Plasmaquellen, um die Strahlqualität weiter zu verbessern.
Accelerating electrons to relativistic energies by an intense laser field interacting with a plasma is a widely considered concept to drive future applications such as compact light sources. The strong requirements on the electron beam quality imposed by these applications requires to precisely control the injection and acceleration dynamics and hence the parameters of the laser-plasma accelerated electrons. This thesis studies electron beam generation with ionization injection in a nitrogen doped hydrogen plasma, focused on tunability and improvement of electron beam parameters. A capillary type plasma target was developed and characterized with Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations allowing extensive parameter scans. It is demon- strated that electron beam parameters can be tuned in a wide range with peak energies between 200MeV and 350MeV, bunch charges between 100pC and 350pC at percent- level shot-to-shot stability, by varying the laser focus position, laser pulse energy, plasma density and the nitrogen concentration. The accelerator performance could be optimized by controlling beam loading effects with a combination of the nitrogen concentration and the laser pulse energy, resulting in electron beams with reduced energy spread at simultaneously increased peak charge density. The laser pulse energy showed the strongest influence on the transverse beam parameters, allowing to fine-tune beam divergence and beam emittance, a crucial prerequisite to optimize electron beams for the transport with electron beam optics. The broad parameter scans could be reproduced with Particle-In-Cell (PIC) simulations, providing an in-depth understanding of the injection and acceleration dynamics in the ionization injection scheme. The presented results and the identified scalings can give a guideline for the operation regime for future experiments and to develop improved plasma targets to further enhance the electron beam quality.