Return to search

Injection mechanisms in Laser Wakefield Acceleration

Die Beschleunigung von Elektronen im Wechselwirkungsbereich hochintensiver Laserfelder mit einem Plasma wird als mögliche Alternative zu konventionellen Radiofrequenz basierten Beschleunigerkonzepten gehandelt. Die gezeigten Experimente sind die ersten Versuche zur Laser getriebenen Elektronenbeschleunigung am Max Born Institut. Im Rahmen dieser Dissertation konzentriere ich mich auf kontrollierte Injektion und es werden zwei verschiedene Methoden gezeigt. Die erste demonstrierte Variante einer stimulierten Injektion ist die Ionisationsinjektion, welche typischerweise zu einem kontinuierlichen Elektroneneinfang über einen ausgedehnten Bereich entlang der Propagation des Lasers führt. Die injizierten Elektronen werden dadurch über unterschiedliche Längen beschleunigt, was zu einem breiten Energiespektrum des beschleunigten Eletronenpaketes führt. Die zweite untersuchte Injektionsmethode basiert auf einem Überschallphänomen, welches eine quasi-instantane Injektion ermöglicht. Wird ein Überschall-Gasfluß durch eine scharfe Kante gestört, bildet sich ein scharfer Dichteübergang, bekannt als Schock Front, durch welchen eine Injektion stimuliert werden kann. Es wurde gezeigt, dass die Machzahl der Düse bzw. die Übergangshöhe der Schock Front dazu benutzt werden können, die injizierte Ladungsmenge zu kontrollieren. Eine Erhöhung der Ladungsmenge ist dabei mit einer Erhöhung der Energiebreite verknüpft. Es wurden Elektronenstrahlen demonstriert mit weniger als 2% Energiebreite bei einer Maximalenergie von 300MeV und 5 pC Ladung. Es zeigte sich, dass sowohl bei Shock-Front Injektion als auch bei Ionisationsinjektion die emittierte Ladung pro Energieintervall und Raumwinkel konstant blieb, bei einem Wert von (0.021+-0.001) pC/MeV/mrad^2. Dass sowohl eine kontinuierliche als auch eine instantane Injektion dieselbe Korrelation zwischen Ladung, Divergenz und Energiebreite aufweisen, lässt darauf schließen, dass es sich um eine Eigenschaft der Plasmawelle selbst handelt. / The acceleration of electrons in intense laser fields interacting with a plasma is widely considered as a possible alternative to conventional RF-based accelerator concepts. The presented measurements are the first demonstration of Laser Wakefield Acceleration at the Max Born Institut and a setup was build to perform the described experiments. This thesis focuses on controlled injection and two different methods will be compared. The first method of stimulated injection, presented in this thesis, is ionization injection, which typically causes electron trapping over an extended laser propagation distance. As electrons become injected at different positions, electrons will be accelerated over different distances, yielding a wide energy spread in the emitted electron beam. The second stimulated injection method utilizes a supersonic phenomenon called shock front to stimulate a quasi-instantaneous injection. When a supersonic gas flow is disturbed by a sharp edge, a shock front is created and injection is stimulated at the crossing of the propagating laser pulse and the shock-front region. It is found that the Mach number of the flow or the density transition in the shock front respectively, can be used to tune the total charge injected. This increase in total charge comes at the expense of an increased energy spread. Electron beams are demonstrated with an energy spread of less than 2% at peak energies of 300MeV with 5 pC of charge. For the ionization injection as well as for the shock-front injection it is found, that the charge per energy interval and solid angle is constant and amounts to (0.021+-0.001) pC/MeV/mrad^2 for all observed electron beams. The continuous injection and the quasi-instantaneous injection yield the same correlation between charge, divergence and energy spread. This implies that this correlation is a property of the wakefield structure itself.

Identiferoai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/18412
Date02 May 2017
CreatorsKoschitzki, Christian
ContributorsJankowiak, Andreas, Veisz, Lazlo, Zepf, Matt
PublisherHumboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Source SetsHumboldt University of Berlin
LanguageEnglish
Detected LanguageGerman
TypedoctoralThesis, doc-type:doctoralThesis
Formatapplication/pdf
RightsNamensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Keine Bearbeitung, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/

Page generated in 0.0023 seconds