Kurzfassung
Plasma-Nachlauffelder ermöglichen Beschleunigungsgradienten in der Größenordnung von GeV/m und sind damit ein vielversprechender Ansatz um Teilchenbeschleuniger zukünftig kompakter bauen zu können und so deren Kosten zu reduzieren. Beschleunigeranlagen der Hochenergiephysik haben besonders hohe Anforderungen die Energieeffizienz als auch die Strahlqualität betreffend, eine präzise Steuerung der Beschleunigung ist daher unerlässlich. Das Einsetzen eines externen Elektronenbündels in strahlgetriebene Plasma-Nachlauffelder mit vom anschließenden Beschleunigungsprozess unabhängig einstellbaren Eigenschaften ist ideal geeignet, um die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenbündel und dem Plasma im Detail zu untersuchen. Die vorliegende kumulative Dissertation wurde an der FLASHForward-Anlage durchgeführt und ist motiviert durch das übergeordnete Ziel, das Verständnis über die Strahl-Plasma-Wechselwirkung aus experimenteller Sicht zu verbessern und die präzise Steuerung des Beschleunigungsprozesses zu ermöglichen.
Erste Studien befassen sich mit der Vorbereitung der transversalen und longitudinalen Eigenschaften der Elektronenbündel. Für eine effiziente und qualitativ hochwertige Beschleunigung, muss der transversale Phasenraum der Elektronenbündel an die im Plasma vorherrschenden Fokussierungskräfte angepasst werden. Es wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung der transversalen Strahlparameter implementiert, was die Einstellung des Strahlfokus auf den Plasmakanaleingang durch eine schnelle Bewertung erleichtert. Die Optimierung der Beschleunigungseffizienz, des Transformationsverhältnisses als auch des resultierenden Energiespektrums kann mittels Verformen der beschleunigenden Felder durch die Anpassung der Ladungslast, also der Stromprofile beider Elektronenbündel, erreicht werden. Hierfür wurde ein Gerät mit fein einstellbaren Kollimatoren konzipiert und in einen dispersiven Abschnitt der Strahllinie implementiert, welches erlaubt das Stromprofil von Elektronenbündel mit einem stark korrelierten longitudinalen Phasenraum effektiv mit Femtosekunden-Präzesion zu modifizieren. Mit Hilfe dieser neuen Werkzeuge konnte schließlich ein Arbeitspunkt gefunden werden, bei dem Elektronenbündel mit einem Gradienten von 1.3 GeV/m beschleunigt wurden, während die Energiebreite als auch die Ladung des beschleunigten Elektronenbündels erhalten werden konnte, und gleichzeitig eine Energieübertragungseffizienz von etwa 42% erreicht wurde. Die charakteristische Form des longitudinalen Plasma-Nachlauffeldes kann außerdem genutzt werden, um den korrelierten longitudinalen Phasenraum eines eingehenden Elektronenbündels zu korrigieren, was mit einer Stärke von 1.8 GeV/mm/m demonstriert wurde. Um die Steuerung von plasmabasierten Teilchenbeschleuniger zu verbessern, müssen auch die zur Verfügung stehende Diagnostiken weiterentwickelt werden. Kern dieser Arbeit ist die Erfindung einer neuen Methode um die beschleunigenden Felder, die über die gesamte Wechselwirkungslänge effektiv auf die Elektronenbündel einwirken, zu messen und ermöglicht femtosekunden-aufgelöste Einblicke in den Beschleunigungsprozess und begleitet nun dessen routinemäßige Optimierung.
Plasma wakefields enable GeV/m-level acceleration gradients, making them a promising avenue to reduce the size and the associated costs of future particle accelerators. High-energy physics facilities in particular place stringent demands on beam quality and energy efficiency, which necessitates precise control of the beam acceleration. Injecting an external electron bunch with predefined and controllable properties into beam-driven plasma wakefields is ideally suited to investigate the beam--plasma interaction in detail. This cumulative dissertation was carried out at the FLASHForward facility, and is driven by the overarching goal of advancing the understanding of this beam--plasma interaction from an experimental perspective and thereby promoting the precise control of the acceleration process. Initial studies dealt with the preparation of the wake-driving as well as the injected electron bunch in both the transverse as well as the longitudinal plane for the interaction with the plasma. A new method for measuring transverse beam parameters has been implemented based on beam-jitter measurements in beam-position monitors, thereby enabling non-invasive fast-feedback control for the tedious process of matching the transverse phase space to the focusing forces prevalent in plasma wakes, which is essential for efficient and high-quality acceleration. Crucial acceleration parameters such as the transformer ratio, the energy transfer efficiency as well as the resulting energy spectrum of the accelerated bunch are strongly related to the detailed wakefield shape, which can be changed via beam loading and requires the ability to precisely shape the current profiles of both the wake-driving bunch and the accelerated bunch. To achieve this, a device of three finely adjustable collimators was implemented in the FLASHForward beam line, enabling current-profile modifications at the femtosecond-level through energy collimation in a dispersive section of an electron bunch with a strongly correlated longitudinal phase space. With the capabilities of these new tools, an operating point with an acceleration gradient of 1.3 GeV/m was accomplished at which the energy spread as well as the charge of the injected bunch was preserved while achieving an energy-transfer efficiency of 42%. The characteristic shape of the plasma wakefield can also be used to reduce a remaining correlated energy spread, which has been demonstrated with a dechirping strength of 1.8 GeV/mm/m. To achieve unprecedented control over plasma-based accelerators, new developments are required to diagnose the acceleration process, with the shape of the wakefields being of major interest. As the backbone of this work, a new method was invented to measure the longitudinal wakefield that effectively acts on the wake-driving and the externally injected electron bunch over the entire interaction length. This novel sampling method for beam-driven plasma wakefields enables femtosecond-resolved insights into the acceleration process and now permits it to be optimised routinely.