Dokument: Optimization of a train of bunches for plasma wakefield acceleration

Titel:	Optimization of a train of bunches for plasma wakefield acceleration
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=39468
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160914-091212-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Martorelli, Roberto [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 14,95 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.09.2016 / geändert 13.09.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Teilchenbeschleuniger sind ein wichtiges Instrument zum Verständnis fundamentaler Vorgänge in der Natur. Im Rahmen der aktuell zur Verfügung stehenden Technologie müssen immer größere Beschleuniger gebaut werden, um die wachsenden Anforderung an immer höherer Strahlenergien zu erfüllen. Die höchsten Energien pro Teilchen werden in Zirkularbeschleunigern erreicht, wobei ein hoher Energieverlust durch Synchrotronstrahlung (insbes. bei der Beschleunigung von Elektronen und Positronen) entsteht. Um dieses Problem zu umgehen, befasst sich ein Teilgebiet der Physik mit der Erforschung alternativer Beschleunigungsmethoden. Eine der vielversprechendsten Methode ist die Beschleunigung in Plasma [plasma wakefield acceleration (PWFA)]. Hier wechselwirkt ein Treiber mit kaltem Hintergrundplasma, wodurch eine Plasmawelle angeregt wird. Das elektrische Feld innerhalb der Plasmawelle wird anschließend genutzt, um einen gefangenen Teilchenstrahl zu beschleunigen. Die bei dieser Methode auftretenden Feldstärken sind um viele Größenordnungen höher, als in herkömmlichen Beschleunigern, da sie nicht durch einen möglichen Materialzusammenbruch begrenzt sind. Eine vielversprechende Methode, Plasmawellen anzuregen, ist die Benutzung eines modulierten , hoch energetischen Teilchenstrahls als Treiber. Hierbei überlagern sich die elektrischen Felder einer Reihe von kleineren Strahlen kohärent zu einem großen. Dieser Mechanismus ist besonders interessant, da in naher Zukunft das AWAKE Experiment am CERN durchgeführt werden soll. Hierbei wird ein langer Protonenstrahl, der in der SPS-Einrichtung vorbeschleunigt wurde, als ein Treiber genutzt. Die Zerlegung in einzelne kleinere Strahlpakete (ca. 100 Stück) geschieht anschließend durch die Selbstmodulationsinstabilität. Damit ein in der Plasmawelle gefangener Teilchenstrahl auf hohe Energien beschleunigt werden kann, ist ein effizienter Energieaustausch zwischen Treiber und Strahl, sowie eine lange Lebenszeit des Treibers notwendig. Diese Arbeit behandelt die letzten beiden Aspekte der Teilchenbeschleunigung in Plasma. Das Ziel der Arbeit ist es, die Modulation des Treibers zu optimieren und damit spezifische Eigenschaften der PWFA zu verbessern. Um die Effizienz des Energietransfers zu verbessern, wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, die Form und den Abstand der einzelnen Strahlpakete im gesamten Protonenstrahl zu kontrollieren. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie die Feinabstimmung der Periodizität der Teilstrahlen die Lebenszeit des Treibers verlängern kann. Hierbei wird insbesondere auf die durch die Emittanz am Kopf des Treibers induzierte Instabilität eingegangen. Particle accelerators are a fundamental instrument for the understanding of fundamental mechanism in nature. The need of always higher energies for the particle beams requires a huge increase of the sizes of the accelerators using the actual technology. Moreover the highest energies are achieved nowadays by circular colliders, not perfectly suitable for acceleration of electrons and positrons due to the radiation losses. In order to overcome this problem a new branch of physics studying alternative technique for particle acceleration has been developed. Among the various alternatives a promising one is the plasma wakefield acceleration (PWFA), in which a driver bunch interacts with a cold background plasma, exciting a plasma wave. The electric field of the plasma wave is then used for the acceleration of a second bunch. Such a mechanism allows to reach fields strength far beyond currently available, limited by the dielectric strength of the material. Among the different driver configurations, a promising one is the use of a modulated beam, namely a train of bunches, that provides a coherent interference among the electric fields generated by the single bunches. Such mechanism is subjected to a renewed interest in view of the forthcoming AWAKE experiment at CERN in which the long proton beam produced at the SPS facility is used as a driver. This possibility is achieved thanks to the onset of the self-modulation instability that modulates the long beam in a train of approximately 100 bunches. In order to accelerate the witness bunch to high energies is necessary on the other hand an efficient exchange of energy from the driver to the accelerated bunch, as well as a long duration of the driver so that can propagates for kilometers. This thesis deals with this two last aspects. The aim of this work is to provide an optimization for the modulated driver in order to improve specific features of the PWFA. This work shows the possibility to achieve an improved efficiency for the energy transfer by properly controlling the shape of the single bunches composing the driver, as well as the distance between the bunches. Moreover the work shows as a fine tuning of the periodicity of the bunches allows the production of a more stable driver, especially considering the instability arising from the emittance-driven head erosion.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	14.09.2016
Dateien geändert am:	14.09.2016
Promotionsantrag am:	29.04.2016
Datum der Promotion:	28.06.2016