Hybrid Wakefield acceleration

Foerster, Moritz (2024): Hybrid Wakefield acceleration: a source of stable and high-density electron beams. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Particle accelerators have significantly advanced our understanding of fundamental physics and have enabled far-reaching technological developments in science, medicine, and industry. However, conventional accelerators, such as the widely used radio frequency accelerators, offer limited acceleration gradients due to vacuum breakdown and are generally large and expensive. Plasma-based accelerators, as their possible future replacement, promise about 1000 times higher acceleration gradients and, consequently, a smaller footprint. Enormous progress in plasma-based acceleration has been made in recent decades, including the acceleration of nanocoulombs of charge and energy gains of several gigaelectronvolts. In particular, particle beam-driven plasma wakefield acceleration (PWFA) is considered a promising successor to conventional accelerators, as high energy gain in a single stage and high quality of the electron bunches have been demonstrated. Furthermore, the wakefield excitation in PWFA is intrinsically very stable towards fluctuations of the driver, as it does not depend on the energy of the relativistic drive beam. So far, these experiments still need large-scale radio frequency machines to generate the driver and are very rare, as PWFA requires multi-kiloampere drive bunches. In contrast, many laser wakefield acceleration (LWFA) experiments have been carried out in university-scale labs worldwide in recent years. Typical LWFAs driven by short-pulse lasers are compact machines and produce ultra-short (few fs), high charge (up to nC), and therefore high-current (10s of kA) electron bunches. Yet, LWFA experiments often suffer from limited stability and control of beam quality due to their sensitive dependence on fluctuations of the laser driver. This work presents a hybrid approach (L-PWFA) combining the two complementary plasma accelerators. An LWFA delivers the drive beam for a subsequent PWFA a few millimeters downstream. In the PWFA stage, so-called witness bunches are internally injected and accelerated. The injection happens in the down ramp of an optically-generated density shock. This new approach decouples the properties of the injector and the accelerator (the gas target), allowing independent control over the different shock parameters and contributing to higher stability of the witness beam energy. In this experimental setup, the hybrid L-PWFA achieves similar energy stability to the driving LWFA alone and to recently reported radio frequency accelerator-driven PWFAs. Supporting simulations show additional energy stabilization through an effect called beam loading so that when the injected charge is set correctly, the witness energy can be much more stable than the driver energy. The PWFA delivers high acceleration gradients in excess of 150 GeV/m, effective driver deceleration, and a high energy transfer efficiency to the witness of 10%. In the experiment, the energy spread and divergence of the witness beams from the hybrid L-PWFA are smaller, and therefore, the spatio-spectral particle density is higher than that of the original LWFA-generated electrons serving as a driver, thus achieving a net added value for applications. In conclusion, the hybrid approach combines the promise of stability and beam density of PWFA and the high availability of LWFA-generated drive beams. The presented stability and charge density of the electron bunches are prerequisites for generating brilliant X-rays, and push forward novel applications based on such sources.

Abstract

Teilchenbeschleuniger haben entscheidend zum besseren Verständnis der Physik beigetragen und zahlreiche technologische Entwicklungen mit Anwendungen in Wissenschaft, Medizin und Industrie ermöglicht. Allerdings bieten konventionelle Beschleuniger, wie die weit verbreiteten Hochfrequenzbeschleuniger, auf Grund von Vakuumdurchschlägen nur begrenzte Beschleunigungsgradienten und sind somit groß und daher teuer. Plasmabasierte Beschleuniger, als möglicher zukünftiger Ersatz, bieten etwa 1000-mal höhere Beschleunigungsgradienten und eine entsprechend kompaktere Bauform. In den letzten Jahrzehnten wurden dabei enorme Fortschritte, wie die Beschleunigung um mehrere Gigaelektronenvolt und von Ladungen im Nanocoulomb-Bereich, erzielt. Insbesondere die teilchenstrahlgetriebene Wakefield-Beschleunigung (PWFA) gilt als Alternative für konventionelle Beschleuniger, da bereits hoher Energiegewinn in einer einzelnen Beschleunigerstufe und eine hohe Qualität der Elektronenpakete demonstriert werden konnten. Außerdem ist die Wakefield-Erzeugung bei PWFA unabhängig von der Energie des relativistischen Treibers und damit intrinsisch sehr stabil. Allerdings nutzten bisherige Experimente konventionelle Beschleuniger zur Treiberstrahlerzeugung und sind selten, da sie hohe Treiberströme (kilo-Ampere) erfordern. Demgegenüber wurden zuletzt viele Experimente zur lasergetriebenen Wakefield-Beschleunigung (LWFA) in Universitätslaboren durchgeführt. Typische von Kurzpulslasern angetriebene LWFAs sind kompakte Maschinen und erzeugen ultrakurze (wenige fs), ladungsreiche (bis zu nC) Elektronenstrahlen mit hohem Strom (einige 10 kA). LWFAs weisen jedoch häufig nur eine begrenzte Stabilität und Kontrolle der Strahlqualität auf, da diese stark von Fluktuationen des Lasertreibers abhängen. Diese Arbeit behandelt einen hybriden Ansatz (L-PWFA), der die beiden komplementären Plasmabeschleunigertypen kombiniert. Ein LWFA liefert den Treiber für einen nachfolgenden PWFA. Im PWFA werden sogenannte Witness-Pulse intern injiziert und beschleunigt. Die Injektion erfolgt an einem optisch erzeugten Dichteshock. Dieser neue Ansatz entkoppelt die Eigenschaften des Injektors und des Beschleunigers (des Gastargets), was eine unabhängige Kontrolle der verschiedenen Schockparameter ermöglicht und zur höheren Stabilität der Witness-Pulse beiträgt. Der hybride L-PWFA erreicht eine ähnliche Energiestabilität wie der antreibende LWFA selbst und wie von einem Hochfrequenzbeschleuniger getriebene PWFAs. Simulationen zeigen eine zusätzliche Energiestabilisierung durch einen Effekt namens Beam Loading, sodass bei korrekt eingestellter injizierter Ladung, die Witnessenergie wesentlich stabiler sein kann als die des Treibers. Die PWFA liefert hohe Beschleunigungsgradienten von über 150 GeV/m, eine effektive Abbremsung des Treibers und eine hohe Energieübertragungseffizienz auf den Witness von 10%. Die Energiebandbreite und Divergenz der Witness-Pulse aus der hybriden L-PWFA sind kleiner, und die räumlich-spektrale Teilchendichte daher höher als die der LWFA-generierten Elektronen, die als Treiber dienen, was einen Nettomehrwert für Anwendungen bedeutet. Somit verbindet der hybride Ansatz die Stabilität und Strahldichte von PWFA mit der hohen Verfügbarkeit der Treiberstrahlen aus LWFA. Dabei sind die gezeigte Stabilität und Ladungsdichte Grundvoraussetzungen für die Erzeugung brillanter Röntgenstrahlung, und für neue Anwendungen, die auf solchen Quellen basieren.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Karsch, Stefan