Dynamics and transport of laser-accelerated particle beams [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stefan Becker

Stefan Becker

Sujets

• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 16 Mo

Extrait

Dynamics and Transport of
Laser-Accelerated Particle Beams
Stefan Becker
Munc¨ hen 2010Dynamics and Transport of
Laser-Accelerated Particle Beams
Dissertation
an der Fakult¨at fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Munc¨ hen
vorgelegt von
Stefan Becker
aus Hagen
Munc¨ hen, den 5. Jan. 2010Erstgutachter: Prof. Dr. Roland Sauerbrey
Zweitgutachter: Prof. Dr. Stefan Karsch
Tag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 19. Apr. 2010Contents
Zusammenfassung xiii
Summary xv
1 Motivation 1
2 Foundations of Laser Particle Acceleration 5
2.1 Laser-Electron-Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Electron Motion in an Electromagnetic Field . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Plasma characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Debye length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Plasma frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Electron Bunch Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Laser-Pulse Propagation in Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Laser Wakefield Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Bubble Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Ion Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 Target Normal Sheath Ion Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Radiation Pressure Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Space Charge Effects 19
3.1 Numerical Calculation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Point-to-Point Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.2 Poisson Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Symmetry Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23vi CONTENTS
3.2.1 Geometrical Bunch Prolongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2 Self Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Self Acceleration and the Conservation of Energy and Momentum . . . . . 26
3.4 Retardation Artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Appropriate Space Charge Calculation Method. . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Transport of Laser Accelerated Particle Beams 31
4.1 Transport Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Determining the Magnetic Field Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Beam Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4 Tuning Permanent Magnet Quadrupoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5 First Focusing of Laser Accelerated Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 Undulators and Undulator Radiation 41
5.1 Electron Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Spontaneous Undulator Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 New Test Undulator Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3.1 Further Investigations on the Undulator Spectrum . . . . . . . . . . 47
5.4 Laser-driven soft-X-ray undulator source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 Free Electron Laser 51
6.1 Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 Self-Amplification of Spontaneous Emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 First Design Consideration of a Table-Top FEL . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4 New Quadrupole Undulator Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7 Conclusion and Outlook 59
7.1 Further Improvement of Multipole Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2 Emittance Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.3 Building a Quadrupole Undulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.4 FEL Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.5 FEL Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63CONTENTS vii
Publications 63
I On Space Charge Calculations 65
II Tunable Permanent Magnet Quadrupoles 71
IIIIon Focusing 79
IVDipole Undulator 85
V Table-Top Free-Electron Laser 95
VIQuadrupole Undulator 101
Appendix 109
A Geometrical Center of Multipole Devices 109
Bibliography 111
List Of Publications 119viii CONTENTSList of Figures
1.1 Chapter Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Figure 8 Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Bubble acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Radiation Pressure Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1 Divergent beam without space charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Beam with divergence from space charge schematically . . . . . . . . . . . 24
3.3 Space charge in mean rest frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 Self acceleration fields in laboratory frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Retardation artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1 Beam Envelope Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Free drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Ion beam propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1 Brilliance Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 Undulator radiation schematically . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 Photograph of the undulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.4 Undulator Spectrum Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.5or Spectrum Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.6 Experimental Setup of Laser-driven soft-X-ray undulator source . . . . . . 50
5.7 Effect of Lenses for Laser-driven soft-X-ray undulator source . . . . . . . . 50
6.1 Brilliance Plot FEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51x LIST OF FIGURES
6.2 Self-Amplification of Spontaneous Emission (SASE) schematically . . . . . 53
7.1 Emittance measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
A.1 Quadrupole device mounted on a rotationg stage. . . . . . . . . . . . . . . 109
A.2 Procedure of finding the center of rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110