Impact of the driver beam charge on the wakefield formation and evolution in a particle-driven plasma accelerator

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Date
2025
Volume
Issue
Journal
Series Titel
Wissenschaftlich-technische Berichte HZDR ; 139
Book Title
Publisher
Hannover : Technische Informationsbibliothek
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Abstract

Particle accelerators are important instruments in contemporary scientific research, with applications extending to industry and medicine. One application is the generation of light pulses with distinctive properties, as exemplified by free electron lasers (FELs). These machines are of significant interest, particularly those that provide radiation in the X-ray regime, which necessitates the use of electron bunches with an energy in the multi-GeV range. The accelerating field strength in conventional radio-frequency (RF) machines is constrained by material limitations, which necessitates the construction of X-ray FELs as facilities with a size of hundreds of meters or even kilometers. Plasma wakefield accelerators, which are employed for electron acceleration and driven by either intense laser beams (LWFA) or relativistic particle bunches (PWFA), have the potential to provide accelerating field strengths that exceed the limit of conventional RF-accelerators by multiple orders of magnitude. Current state-of-the-art LWFAs can produce electron bunches at application-relevant energies over acceleration stages of tens of centimeters length. However, they often struggle with stability, reliability, and beam quality. PWFA offers a promising alternative but requires a relativistic electron bunch as a driver, which restricts the potential for downsizing. The hybrid laser-plasma wakefield accelerator (LPWFA) merges these two plasma acceleration techniques by using an LWFA-generated beam to drive a subsequent PWFA stage, leveraging the benefits of PWFA without requiring a preceding RF accelerator. This thesis covers the evolution of LPWFA from initial experimental demonstrations to controlled and tunable injection using a hydrodynamic shock. The study compares the operation in the self- and pre-ionized regime, observing reduced field strengths within the cavity in the case of self-ionization. A few-cycle optical probe shadowgraphy technique is employed, revealing significant differences in the morphology of plasma waves in both regimes. Another aspect identified by this diagnostic is the driver-charge-dependent elongation of the first cavity. This correlation is employed to examine the evolution of the driver beam charge within the PWFA stage. A controllable witness beam acceleration via injection at a sharp density downramp is achieved and the results are presented in this work. This study reveals that the observed elongation has an impact on the witness beam acceleration, demonstrating the significance of a comprehensive understanding of the wakefield dynamics for further optimization of the acceleration process. The findings are primarily based on experimental observations supported by simulations, showcasing the potential for a stable and efficient LPWFA design. Datei-Upload durch TIB


Teilchenbeschleuniger sind entscheidend für die moderne Forschung sowie für industrielle und medizinische Anwendungen. Eine dieser Anwendungen ist die Erzeugung von Lichtpulsen mit einzigartigen Eigenschaften, z.B. Freie-Elektronen-Laser (FEL). Diese Geräte sind von großem wissenschaftlichem Interesse, insbesondere solche die im Röntgenbereich arbeiten. Diese erfordern allerdings die Verwendung von Elektronenpaketen im Energiebereich von mehreren GeV. Die Stärke der beschleunigenden Felder in konventionellen Hochfrequenz-(HF)-Maschinen ist aufgrund von Materialbelastungsgrenzen limitiert, sodass ein Röntgen-FEL eine Anlage von mehreren hundert Metern bis hin zu Kilometer Länge erfordert. Plasma-Wakefield-Beschleuniger, die durch intensive Laserpulse (LWFA) oder relativistische Teilchenpakete (PWFA) angetrieben werden und zur Beschleunigung von Elektronen genutzt werden, besitzen das Potenzial, Beschleunigungsfeldstärken zu liefern, die die Grenzen konventioneller HF-Beschleuniger um mehrere Größenordnungen überschreiten. Aktuelle lasergetriebene Plasma-Wakefield-Beschleuniger (LWFAs) können Elektronenpakete innerhalb einiger zehn Zentimeter in den anwendungsrelevanten Energiebereich (einige GeV) beschleunigen, jedoch mangelt es an Stabilität, Zuverlässigkeit und Strahlqualität. Eine vielversprechende Alternative stellen teilchenstrahlgetriebene Plasma-Wakefield-Beschleuniger (PWFAs) dar, die allerdings die Bereitstellung eines relativistischen Teilchenpakets als Treiber erfordern. Dies schränkt die potenzielle Möglichkeit zur Verkleinerung der Anlagen ein. Das Konzept des hybriden Laser-Plasma-Wakefield-Beschleunigers (LPWFA) verbindet die Vorteile der beiden Plasmabeschleunigungstechniken, indem der Treiberstrahl der PWFA in einer vorangehenden LWFA erzeugt wird. Dadurch können die Vorteile der PWFA genutzt werden, ohne dass ein vorhergehender HF-Beschleuniger erforderlich ist. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung der LPWFA von den ersten experimentellen Demonstrationen bis zur kontrollierten Injektion mit Hilfe eines hydrodynamischen Schocks. Es wird die PWFA in selbst- und vorionisierten Zustand verglichen, wobei eine Reduktion der Feldstärken innerhalb der Kavität im Fall der Selbstionisierung beobachtet wird. Mittels einem Bildgebungsverfahren, der sogenannten Few-cycle Shadowgraphy, zeigen sich signifikante Unterschiede in der Morphologie der Plasmawellen in beiden Regimen. Ein weiterer Aspekt dieser Diagnostik ist die von der Treiberladung abhängige Verlängerung der ersten Kavität, welche genutzt werden kann um die Entwicklung der Ladung des Treiberstrahls innerhalb der PWFA-Stufe zu untersuchen. Mithilfe eines scharfen Dichteabfalls in der PWFA wird ein sogenannter witness beam injiziert und beschleunigt sowie die Auswirkung verschiedener Parameter auf dessen Energie untersucht. Außerdem wird gezeigt, dass die beobachtete Verlängerung der ersten Kavität einen Einfluss auf die Beschleunigung des Witness-Beams hat. Dies unterstreicht die Bedeutung eines umfassenden Verständnisses der Wakefield-Dynamik für die weitere Optimierung des Beschleunigungsprozesses. Die Ergebnisse basieren in erster Linie auf experimentellen Beobachtungen, die durch Simulationen unterstützt werden. In Kombination zeigen sie das Potenzial für ein stabiles und effizientes LPWFA-Design auf.

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