Dokument: En Route: Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation auf Laser-Plasma-Basis

Titel:En Route: Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation auf Laser-Plasma-Basis
Weiterer Titel:En Route: Next-Generation Laser-Plasma-Based Electron Accelerators
URL für Lesezeichen:https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=8220
URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20080707-102950-1
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor:Dr. Hidding, Bernhard [Autor]
Dateien:
[Dateien anzeigen]Adobe PDF
[Details]77,80 MB in einer Datei
[ZIP-Datei erzeugen]
Dateien vom 04.07.2008 / geändert 04.07.2008
  
[Dateien anzeigen]Adobe PDF
[Details]23,32 MB in einer Datei
[ZIP-Datei erzeugen]
Dateien vom 04.07.2008 / geändert 04.07.2008
Beitragende:Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter]
Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Prof. Dr. Sauerbrey, Roland [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:Die Beschleunigung von Elektronen auf relativistische Energien ist von fundamentalem Interesse für die Physik, insbesondere für die Elementarteilchenphysik. Herkömmliche Beschleuniger stoßen heute aufgrund der limitierten elektrischen Beschleunigungsfelder an ihre Grenzen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Mechanismen untersucht, mit denen über neue Ansätze die um viele Größenordnungen höheren Felder in fokussierten Laserpulsen und in Plasmawellen zur Elektronenbeschleunigung ausgenutzt wurden. Bei der Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit unterkritischen Plasmen wurden quasi-monoenergetische Elektronenbunches mit Energien in der Größenordnung von 50 MeV und normierten Emittanzen in Höhe von 5 mm mrad erzeugt. Dies konnte mit dem JETI-Laser an der Friedrich-Schiller-Universität Jena erzielt werden, mit dem Laserpulse (~ 80 fs, 1 J) auf Intensitäten einiger 1e19 W/cm2 in Gas-Jets fokussiert wurden. Die experimentelle Beobachtung wurde auf Grundlage der so genannten "Bubble Acceleration" erklärt, die auf Selbstinjektion und Beschleunigung von Elektronen in einer brechenden, stark nicht-linearen Plasmawelle basiert. Bubble-Beschleunigung konnte hier erstmals im Self-Modulated Laser Wakefield-Regime (SMLWFA) realisiert werden. Dieses Regime der quasi-monoenergetischen SMLWFA hat die Besonderheit, dass die restriktiven Bedingungen zur Auslösung von Bubble-Beschleunigung über den Prozess der Selbstmodulation des Laserpulses deutlich einfacher zu erreichen sind und die Anforderungen an den treibenden Laserpuls dramatisch sinken. Zugleich spielt sich der Prozess bei sehr hoher Plasmadichte ab und kann daher zu besonders niedrigen Elektronen-Pulsdauern ~ 5 fs führen. Diese Pulsdauern liegen mindestens eine Größenordnung unter den von herkömmlichen Beschleunigern erreichbaren. Darüber hinaus kann der Laserpuls sogar in mehrere Fragmente zerfallen, die stark genug sein können, um jeweils eine Bubble zu treiben. Es wurden markante Doppel-Peaks in den Elektronenspektren gemessen, die (gestützt von PIC-Simulationen (Particle-in-Cell)) darauf hindeuten, dass zwei quasi-monoenergetische Elektronenbunches im Abstand von nur wenigen 10 fs erzeugt wurden. Die Ergebnisse zeigen die Realisierbarkeit von kleineren, table-top-Beschleunigern und tragen mit dazu bei, die Akzeptanz von Laser-Plasma-Beschleunigung als mögliche Grundlage zukünftiger, internationaler Beschleunigerprojekte signifikant zu erhöhen.
In einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit wurde Elektronenbeschleunigung an (überkritischen) Festkörpern untersucht. Hier wurde unter Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen eine neue Diagnostik (Image Plate-Stack) entwickelt und experimentell unter anderem ein relativistischer, nahezu parallel zur Targetoberfläche
verlaufender Elektronenbunch gefunden. Auf Grundlage von PIC-Simulationen wurde gezeigt, dass diese Elektronen im transienten Interferenzfeld aus einfallendem und reflektierten Laserpuls mit Spitzenwerten einiger 10 TV/m beschleunigt werden und Pulsdauern < 1 fs haben können. Zwar sind diese Elektronenpulse nicht monoenergetisch, könnten aber zukünftig beispielsweise zur Injektion in mehrstufigen Laser-Plasma-Beschleunigern genutzt werden.

Accelerating electrons to relativistic energies is of fundamental interest, especially in particle physics. Today's accelerator technology, however, is limited by the maximum electric fields which can be created. This thesis presents results on various mechanisms aiming at exploiting the fields in focussed laser pulses and plasma waves for electron acceleration, which can be orders of magnitude higher than with conventional accelerators. With relativistic, underdense laser-plasma-interaction, quasimonoenergetic electron bunches with energies up to 50 MeV and normalized emittances of the order of 5 mm mrad have been generated. This was achieved by focussing the 80 fs, 1 J pulses of the JETI-laser at the FSU Jena to intensities of several 1e19 W/cm2 into gas jets. The experimental observations could be explained via "bubble acceleration", which is based on self-injection and acceleration of electrons in a highly nonlinear breaking plasma wave. For the first time, this bubble acceleration was achieved explicitly in the self-modulated laser wakefield regime (SMLWFA). This quasimonoenergetic SMLWFA-regime stands out by relaxing dramatically the requirements on the driving laser pulse necessary to trigger bubble acceleration. This is due to self-modulation of the laser pulse in high-density gas jets, leading to ultrashort laser pulse fragments capable of initiating bubble acceleration. Electron bunches with durations ~ 5 fs can thus be created, which is at least an order of magnitude shorter than with conventional accelerator technology. In addition, more than one laser pulse fragment can be powerful enough to drive a bubble. Distinct double peaks have been observed in the electron spectra, indicating that two quasimonoenergetic electron bunches separated by only few tens of fs have formed. This is backed up by PIC-Simulations (Particle-in-Cell). These results underline the feasibility of the construction of small table-top accelerators, while at the same time they increase the acceptance of laser-plasma-accelerator technology for future international accelerator projects.
A second main focus of this thesis is on electron acceleration with (overdense) solids, again using the JETI laser pulses. New diagnostics based on Image Plate stacks and Monte Carlo-Simulations have been developed, and amongst other things, relativistic electron beams have been found, which propagate (nearly) parallel to the target surface. Using PIC-Simulations, it was demonstrated that these electrons can be accelerated in the transient laser interference fields created by incident and rejected laser pulse, leading to fields as high as several 10 TV/m. These electrons are not monoenergetic, but can have sub-fs-pulse durations, rendering them useful for injection in future multi-staged laser-plasma accelerators, for instance.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:04.07.2008
Dateien geändert am:04.07.2008
Promotionsantrag am:04.05.2008
Datum der Promotion:20.06.2008
english
Benutzer
Status: Gast
Aktionen