Relativistic attosecond electron pulses by laser wakefield acceleration
(2020) PHYM01 20202Atomic Physics
Department of Physics
- Abstract
- The search for cheaper and more compact accelerators has led to the development of laser-driven plasma-based accelerators. In comparison to conventional particle accelerators, the plasma-based accelerator is inherently insensitive to the breakdown of the acceleration structure and therefore greater accelerating fields can be obtained. One such setup, which is used to accelerate electrons, is the laser wakefield accelerator. Behind the laser, an electric field gradient of the order of hundreds GV/m can be obtained as the intense laser pulse propagates through the plasma, and electrons submitted to this field can be accelerated to several MeV over just few millimeters. During 2020, the Division of Atomic Physics at Lund University will... (More)
- The search for cheaper and more compact accelerators has led to the development of laser-driven plasma-based accelerators. In comparison to conventional particle accelerators, the plasma-based accelerator is inherently insensitive to the breakdown of the acceleration structure and therefore greater accelerating fields can be obtained. One such setup, which is used to accelerate electrons, is the laser wakefield accelerator. Behind the laser, an electric field gradient of the order of hundreds GV/m can be obtained as the intense laser pulse propagates through the plasma, and electrons submitted to this field can be accelerated to several MeV over just few millimeters. During 2020, the Division of Atomic Physics at Lund University will purchase a new laser system, and in comparison to the old system, the new laser system has a shorter pulse duration, lower energy, and higher repetition rate. Through particle in cell simulations, it has in this thesis been shown that attosecond electron pulses can be achieved with the parameters of the new laser system. The duration of the electron pulses is tuned by modulating the plasma density. The energy of the these short electron pulses are of the order of tens of MeV. However, for the specified plasma density, it is more beneficial to drive the wakefield by a laser with four times the energy than the system the upgraded laser system the Division plans to purchase. The energy spectrum of the accelerated electrons at this laser energy proved to be more peaked, and the electrons could be accelerated over a longer distance than if the energy of the upgraded laser system were utilized. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Generering av ultrakorta elektronpulser med hjälp av laseracceleration
Hur snabb är den snabbaste processen som vi kan observera? Och hur litet är detminsta objektet? Kort sagt så kan vi inte se snabbare än vad ett slutarljus tillåter,eller objekt mindre än den minsta möjliga våglängden.
Vad menar jag då med det? Jo, om vi vill ta stillbilder av en galopperande häst, utan att bilden blir suddig, måste vi ha en blixt eller slutarljus som är snabbare än hästen. Vill vi nu kunna se biologiska eller kemiska reaktioner som sker så snabbt som knappt några miljondels miljarddels sekunder, måste alltså slutarljuset vara lika snabbt eller snabbare! Dessutom kan molekylerna, och framförallt de individuella atomerna, vara mycket små, och med... (More) - Generering av ultrakorta elektronpulser med hjälp av laseracceleration
Hur snabb är den snabbaste processen som vi kan observera? Och hur litet är detminsta objektet? Kort sagt så kan vi inte se snabbare än vad ett slutarljus tillåter,eller objekt mindre än den minsta möjliga våglängden.
Vad menar jag då med det? Jo, om vi vill ta stillbilder av en galopperande häst, utan att bilden blir suddig, måste vi ha en blixt eller slutarljus som är snabbare än hästen. Vill vi nu kunna se biologiska eller kemiska reaktioner som sker så snabbt som knappt några miljondels miljarddels sekunder, måste alltså slutarljuset vara lika snabbt eller snabbare! Dessutom kan molekylerna, och framförallt de individuella atomerna, vara mycket små, och med samma tankegång som med slutarljuset, måste våglängden hos ljuset vara i motsvarande längd som det vi vill se. Så, en atom som är omkring 1000 gånger mindre än ett hårstrå, kräver en lika ``lång'' våglängd. Vi är i röntgenområdet, och härifrån växer utmaningarna.
Ett sätt att generera kort röntgenstrålning är med hjälp av en plasmavåg, och i jämförelse med en konventionell accelerator, används en laser för att excitera plasmavågen som elektronerna kan surfa på. När en laser av mycket hög intensitet fokuseras i en gas är kraften från lasern så stor att gasen fullständigt joniseras. Elektronerna slås ut och bort från fokuspunkten, och precis bakom lasern bildas ett område helt tomt på elektroner. Gasen joniseras fullständigt och lasern bildar alltså ett plasma. Trycket från lasern gör så att elektronerna slungas uppåt och bakåt. Samtidig strävar de efter att återförenas med de positiva jonerna, men på grund av den höga kraften hos lasern kommer de i stället att svänga runt sin jämviktspunkt utan bindas till dem. Det har bakom lasern bildats en bubbla, likt kölvattnet bakom en motorbåt.
Om nu bubblan betraktas mer ingående, så ses det att; precis bakom lasern är nettoladdningen positiv, och på baksidan av den bildade bubblan är nettoladdningen negativ. Alltså har det över hela bubblan bildats ett starkt elektriskt fält där elektroner kan accelereras. För att elektronerna ska kunna se fältet, måste de $injiceras$ i bubblan. När injectionsprocessen upphör, klumpar elektronerna ihop sig och bildar en puls som nu kan accelereras i fältet. Dessa elektroner når en hastighet nära ljusets hastighet i vakuum. Samtidigt som elektronerna drivs i framåtriktningen med lasern, svänger de också transversellt, vilket ger upphov till röntgenstrålning. Detta är vad som ligger till grund för så kallad Laser Wakefield Acceleration} (LWFA), som direktöversatt till svenska blir ``Laser- kölvattensfältacceleration''. Vad är då fördelen med att använda sig av den här typen av acceleratorer? För det första kan väldigt höga elektriska fält uppnås bakom lasern. Det medför att på bara några centimeter kan mycket höga partikelenergier uppnås, medan motsvarande energier in en konventionell accelerator kräver mycket längre sträckor. Dessutom blir acceleratorn liten och kostnadseffektiv, vilket öppnar upp möjligheten för lokala röntgenkällor i laboratorier och sjukhus. Det här blir viktigt när syftet är att generera röntgenstrålning med till exempel hjälp av en frielektronlaser (FEL), som förlitar sig på att elektronerna rör sig en viss sträcka en enstaka gång. För det andra så kan då pulslängden av elektronerna göras mycket kort, upp mot en bråkdel av en miljondels miljarddels sekund, vilket genererar motsvarande kort röntgenpuls.
Atomfysikavdelningen vid LTH kommer under 2020 att upphandla ett nytt lasersystem, och i jämförelse med det tidigare systemet så har den nya lasern kortare pulslängd, lägre pulsenergi, och skickar fler antal ljuspulser per sekund. Det är då intressant att undersöka om det är möjligt att generera elektronpulser som är en miljon miljard gånger kortare än en millisekund i ett LWFA experiment och som följd motsvarande röntgenstrålning. Med så kort röntgenstrålning är det möjligt att undersöka biologiska, kemiska, och fysiska processer. Jag har genom simuleringar, där jag använt mig av en skräddarsydd densitetsprofil av plasmat, visat på att mycket korta elektronpulser kan generaras med det nya lasersystemet. Pulserna har en längd av en bråkdel av en miljon miljarddels sekund, och generering av korta pulser kan förväntas experimentellt också. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9030381
- author
- Gustafsson, Cornelia LU
- supervisor
- organization
- course
- PHYM01 20202
- year
- 2020
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- laser wakefield accelerator, laser wakefield acceleration, attosecond, electron pulses
- language
- English
- id
- 9030381
- date added to LUP
- 2020-10-12 13:41:34
- date last changed
- 2020-10-12 13:41:34
@misc{9030381,
abstract = {{The search for cheaper and more compact accelerators has led to the development of laser-driven plasma-based accelerators. In comparison to conventional particle accelerators, the plasma-based accelerator is inherently insensitive to the breakdown of the acceleration structure and therefore greater accelerating fields can be obtained. One such setup, which is used to accelerate electrons, is the laser wakefield accelerator. Behind the laser, an electric field gradient of the order of hundreds GV/m can be obtained as the intense laser pulse propagates through the plasma, and electrons submitted to this field can be accelerated to several MeV over just few millimeters. During 2020, the Division of Atomic Physics at Lund University will purchase a new laser system, and in comparison to the old system, the new laser system has a shorter pulse duration, lower energy, and higher repetition rate. Through particle in cell simulations, it has in this thesis been shown that attosecond electron pulses can be achieved with the parameters of the new laser system. The duration of the electron pulses is tuned by modulating the plasma density. The energy of the these short electron pulses are of the order of tens of MeV. However, for the specified plasma density, it is more beneficial to drive the wakefield by a laser with four times the energy than the system the upgraded laser system the Division plans to purchase. The energy spectrum of the accelerated electrons at this laser energy proved to be more peaked, and the electrons could be accelerated over a longer distance than if the energy of the upgraded laser system were utilized.}},
author = {{Gustafsson, Cornelia}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Relativistic attosecond electron pulses by laser wakefield acceleration}},
year = {{2020}},
}