Reproducibility of bunches of electrons accelerated in laser driven wakefields

Abstract

Laser wakefield acceleration (LWFA) utilises a high intensity laser pulse to excite a plasma density wave with associated large directed electric fields. These large electric fields can be used to accelerate electrons, making LWFA a good candidate for a compact electron beam source.

In this dissertation, the impact of small fluctuations in laser pulse energy on the generated electron bunch charge is investigated. The electrons are injected into the wave using the ionisation-induced injection scheme. To investigate the laser pulse energy fluctuations, a non-destructive measurement scheme is implemented into the beam line of the multi-terawatt laser at the Lund Laser Centre. To allow easier online measurements of the laser pulses, changes to the software used to control actuators, diagnostics and the laser shutter are made to allow image analysis to be performed on images captured during the experiment and the results of which are returned to users in real time.

It is found that by using a CMOS camera, imaging the leakage through a dielectric mirror, accurate online energy measurements can be performed to investigate the energy pulse fluctuations. Furthermore, it is found that there is a weak correlation between laser pulse fluctuations and electron bunch charge. However, the fluctuations in laser pulse energy cannot be the only source of fluctuations in the electron bunch charge.

Popular Abstract (Swedish)

I Lund accelereras elektroner av superkorta och energirika laserpulser i ett plasma. Elektronerna accelereras från stillastående till väldigt nära ljusets hastighet på bara några få millimeter. Förhoppningen är att kunna ersätta dagens större och dyrare sätt att accelerera elektroner.

Nyligen invigdes i Lund den stora synkrotronljusanläggningen MAX IV. Vid MAX IV accelereras elektroner i en lång tunnel till nära ljusets hastighet med hjälp av elektriska fält i något som kallas radiofrekvenskaviteter. Denna teknik har blivit en standard vid elektronacceleration, men kräver en väldigt lång accelerationssträcka för att partiklarna ska nå den höga energi som behövs. Till exempel är acceleratorn vid MAX IV 250 meter lång. Denna längd krävs eftersom det finns en maximal styrka på det elektriska fält som kan användas i en radiofrekvenskavitet. Om man använder ett för starkt elektriskt fält, joniseras materialet i kavitetens väggar och accelerationsprocessen avtar.

Det är väldigt dyrt och opraktiskt att bygga så långa acceleratorer. Därför forskas det på alternativa metoder för att accelerera elektroner på mycket kortare sträckor. En sådan metod är att skapa starka elektriska fält i ett plasma med hjälp av intensiva laserpulser och använda dessa fält för att accelerera elektroner i plasmat. Laserpulserna behöver vara så intensiva så att om man kontinuerligt skulle lysa med dess maximalintensitet på endast en kvadratcentimeter så skulle Sveriges totala energiproduktion under ett år användas upp på bara en minut.

Plasma är ett tillstånd i vilket materia kan vara, precis som de mer kända tillstånden fast, flytande och gas. Ett plasma kan man skapa genom att till exempel applicera ett starkt elektriskt fält över en gas. Då slits elektronerna bort från atomkärnan och bildar en blandning av fria atomkärnor och elektroner.
Det finurliga med ett plasma är att det inte vidare kan förstöras av starka elektriska fält. Man behöver snarare starka fält för att skapa dem! I experimenten som detta examensarbete behandlar, skapas plasmat genom att man belyser en gas med en stark laserpuls. Gasen joniseras då och formar ett plasma. Laserpulsen färdas sedan genom plasmat och likt en motorbåt på vatten, där vattnet puttas undan av båten, så knuffar laserpulsen bort elektronerna från dess väg. Bakom pulserna bildas svallvågor av elektroner och starka elektriska fält uppstår. Det är just på dessa vågor som andra elektronerna kan surfa och accelereras. I svallet av laserpulsen kan elektroner accelereras på tiotusen gånger kortare sträcka än i vanliga acceleratorer. Detta gör att acceleration av elektroner som tidigare tog 10 meter kan med denna typ av accelerator göras på ca 1 millimeter och redan idag kan vi få fram elektroner med samma kinetiska energi som de på MAX IV.

Vad är då problemet med denna typ av acceleration? Jo, att denna accelerationsprocess är väldigt svår att styra. Både antalet elektroner som accelereras och den slutgiltiga kinetiska energin på dessa elektroner varierar från en laserpuls till nästa. Syftet med detta examensarbete var därför att undersöka orsaken till dessa variationer.

Även fast man försöker hålla laserpulserna lika starka från gång till gång så fluktuerar pulserna runt 5 % i energi. Jag har i mitt arbete undersökt hur dessa små skillnader i laserenergi påverkar hur många elektroner som accelereras. För att möjliggöra detta så har jag konstruerat ett system som kan mäta dessa korta, energirika laserpulser innan de kommer till plasmat utan att blockera eller förstöra pulsen. Vidare har jag även utvecklat ett system som automatiskt kan göra beräkningar på de mätdata som kommer från laserpulserna och ge snabba svar under experimentets gång till forskarna. Jag har slutligen kommit fram till att det finns ett svagt beroende mellan laserfluktuationerna och antalet elektroner men att andra parametrar har ett större inflytande.

• author: Siederer, Philip
• supervisor: Martin Hansson; Anders Persson
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Laser, wakefield, acceleration, electron acceleration, plasma, LWFA
• publication/series: LRAP 528
• language: English
• id: 8892006
• date added to LUP: 2016-09-21 10:54:50
• date last changed: 2016-11-15 13:30:30