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Plasmabeschleunigung

Plasmabeschleunigung. Ist es möglich den LHC auf Labortischgröße zu schrumpfen?. Matthias Groß Technisches Seminar Zeuthen 22. Mai 2012. DESY inForm (April 2011). Inhalt. Motivation Prinzip der Plasmabeschleunigung Bisherige Resultate Arbeiten bei PITZ Ausblick Zusammenfassung.

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Presentation Transcript

  1. Plasmabeschleunigung Ist es möglich den LHC auf Labortischgröße zu schrumpfen? Matthias Groß Technisches Seminar Zeuthen 22. Mai 2012

  2. DESY inForm (April 2011)

  3. Inhalt • Motivation • Prinzip der Plasmabeschleunigung • Bisherige Resultate • Arbeiten bei PITZ • Ausblick • Zusammenfassung

  4. Motivation • WarumeinneuerBeschleunigertyp – wirkönnen das dochschon? • HerkömmlicheBeschleunigerfunktierensehr gut sindaberauchsehrgroß BeispieleElektronenbeschleuniger:

  5. Beschleunigertypen • Gleichspannung (statisch) • Wechselspannung (dynamisch)

  6. Problem von herkömmlichenBeschleunigern • Grundsätzliches Problem: MikroskopischeTeilchenwerdenmitmakroskopischerzeugtenFeldernbeschleunigt • KleineFeldstärke GroßerBeschleuniger • NeueIdee: Plasmabeschleuniger • Nutzemikroskopische Felder (Felder zwischenElektronen und Ionen in einem Plasma) – diesesindsehrgroß, da die Ladungensehrdichtzusammenseinkönnenohne die Baumaterialienzuzerstören • Problem: Man kannkeineMagneten, Resonatoren etc. auseinzelnenAtomenzusammensetzen • Lösung: GezielteIonisationeines Gas zueinem Plasma mit den gewünschtenEigenschaften Gas Plasma

  7. NeuerBeschleunigertyp: PWA • StatischerBeschleunigergehtnicht, da man die Ionennirgendwofestmachenkann • Deshalb: DynamischerBeschleunigermitWanderwellePlasmawanderwellenbeschleuniger PWA lasma ‘Wake’: Kielwasser akefield ccelerator

  8. Grundprinzip • BeschleunigungeinesElektronsmiteinerWanderwelle • BeioptimalerAusnutzung von NichtlinearitätensindextremstarkeBeschleunigungenmöglich + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

  9. Wie stark kann man beschleunigen? • Maßfür die Beschleunigung: ElektrischeFeldstärke (Gradient) • HerkömmlicheBeschleunigerkavitäten: Biszu 100 MV/m • MöglichmitPlasmabeschleuniger: Biszu 1 TV/m !!! = 1.000.000 MV/m • Beispiel: International Linear Collider (ILC) – Endenergie: 500 GeV • GeplanteLängemitherkömmlicherTechnik: 30km • MöglichmitPlasmabeschleunigung: 3m Plasmabeschleunigerist 10000 mal stärker !!

  10. Die Kraftquelle • Wietreibt man einePlasmawelle? • MiteinemstarkenLaserpulsLDPWA • MiteinemTeilchenstrahlPDPWA LaserDriven ParticleDriven

  11. Simulation: Laser Treiber Typische Längenskala = Plasmawellenlänge Plasma Laserpuls wake Plasma(Kapillare) HöchstintensitätsLaser:~ 5 J / 25 fs ~ 5 fs PIC simulation (M. Geissler) Ez ~ TV/m

  12. Simulation: TeilchenTreiber /n0 TreiberTeilchenpaket Teilchendichte ~λp /E0 Beschleunigendes Feld Longitudinales Feld /E0 Fokussierendes Feld Transversales Feld

  13. BisherigeResultate • Prinzip der Plasmabeschleunigungwurde 1979 von Toshiki Tajima und John Dawson (UCLA) vorgeschlagen • ErsteExperimente in den 1980er Jahren • HöchstebislangerreichteEnergiebei Experiment am SLAC: BeschleunigungeinesElektronenstrahls von 42 GeV auf 85 GeV in einem 85cm langen Plasma • Problem: SchlechteKontrolleübermikroskopische Felder  SehrgroßeEnergieverteilung (hier von 0 bismaximaleEnergie) • Seit 2004: Demonstration von PlasmabeschleunigungmitgeringerEnergieverteilung – höchstebislangdemonstrierteEndenergieistetwa 1 GeV in einem 3cm langen Plasma

  14. Problemfeld • Größtes Problem heute: Strahlqualität • SehrbreiteEnergieverteilung • Allgemein: Esistschwer die mikroskopischenGegebenheitenexaktzukontrollieren • Speziell: “dephasing” – Phasenstabilität • Die beschleunigtenElektronenhabeneinesichständigsteigerndeGeschwindigkeit, geratendadurchmitdembeschleunigenden Feld ausdemTakt • DieserEffekt hat dazuauchnochunterschiedlicheStärkeübereinElektronenpaket • HoheDivergenz • DurchKollisionenmit den Ionenim Plasma tendiert der Elektronenstrahlsichschnellzuverbreitern • Vergleich: Teilchenstrahlen in konventionellenBeschleunigernbreitensichimUltrahochvakuumaus

  15. Arbeitenbei PITZ http://laola.desy.de

  16. Arbeitenbei PITZ • Simulationen • DetaillierteUntersuchung von Effektenwenn der PITZ Elektronenstrahl auf ein Plasma trifft • Experimente • EinbaueinerPlasmazelle in PITZ zurDurchführung von Experimenten • Plasmabeschleunigungnichtmöglichmit der vorhandenenInfrastruktur (keinTreiber) – ABER: wichtigeUntersuchungenzugrundlegendenEffektendurchAusnutzung des einzigartigenLasersystems und der hervorragendenDiagnostik. • Dies istwichtig um die KontrollebeizukünftigenBeschleunigungsexperimentenzuverbessern verbesserteQualität • NachEinbaueinesPulskompressorsistauchPlasmabeschleunigungmöglich (in einpaarJahren)

  17. Simulation des PITZ Experiments • MitzunehmenderAusbreitungim Plasma bildetsichimElektronenpaketeineSubstrukturaus • Dies bedeutet, dass das Elektronenpaketmitdem Plasma interagiert • In einem Experiment könntendieseSubstrukturen in Abhängigkeit von Plasmadichte etc. genauvermessenwerden 0.0 cm 1.3 cm 1.8 cm 2.2 cm

  18. Lithium Plasmazelle • Prinzip: • Lithium wird in zentralerRöhreverdampft (700°C) • Die Lithium Zone wird auf beidenSeitendurcheinensteilenTemperaturegradienten und durcheinen Helium Puffer scharfdefiniert • NachStabilisierung der Druckregionen: • Lithium Gas wirdmit Laser ionisiert • ElektronenstrahlfürPlasmaexperimentwirdinjiziert Aus: P. Muggli et al. “Photo-Ionized Lithium Source for Plasma Accelerator Applications”, IEEE Trans. Plasma Science27 (1999), pp. 791-799

  19. PlasmaerzeugungdurchLaserionisationbei PITZ • EinzelphotonIonisation • LinearerProzess • <320nm, z.B. ArF Laser • PartielleIonisation f (LokaleIntensität)Sättigung • AperturzurKontrolle der Länge des Plasmakanals • Feldionisation • NichtlinearerProzess • Wellenlängenichtwichtig, z.B. Ti:SaphiroderCO2 Laser • SchwellenprozessvollständigeIonisation Apertur Li Gas e-Strahl Plasmakanal AxikonLinse für homogenes Ionisationsprofil

  20. PITZ Plasmazelle: Derzeitiger Planungsstand Design: Gerald Koss Laser out Laser in Plasmakanal Elektronen- strahl

  21. OSS signal (UV) FWHM = 25 ps edge10-90~ 2ps edge10-90~ 2.2 ps birefringent shaper, 13 crystals “Der Andere Laser” • PhotokathodenlaserzurErzeugung von Elektronenpaketen • Entwickelt und gebaut from Max-Born Institut Berlin • Herzstück: Der Pulsformer • Der Pulsformerenthält 13 doppelbrechendeKristalle. Diesespalten die einkommendenkurzen Pulse nachPolarisation auf und setzensiemiteinerfestgelegtenVerzögerung und einstellbarerrelativerStärkewiederzusammen Output 13 DoppelbrechendeKristalle Input Will, Klemz, Optics Express 16 (2008) , 4922-14935

  22. Flexible LaserpulserzeugungfürPlasmaexperimente • Treiber + Experimentierpuls • ModulierterTreiber + Experimentierpuls • ModulierterTreiber • Multipulse

  23. Ausblick • Konzeptfüreinen Plasma Linearbeschleuniger Aus: Leemans et al. Physics Today, March 2009, p. 44

  24. Zusammenfassung • NeueIdee: Plasmabeschleunigung • Ausnutzung von sehrhohenmolekularenFeldernzurBeschleunigung • Ziel: Bau von sehrkompaktenaberleistungsfähigenTeilchenbeschleunigern • Konzeptwurdedemonstriert – Hauptproblemheute: SchlechteQualität der beschleunigtenTeilchenpakete • BreiteEnergieverteilung • Bei PITZ wirddaranmitgearbeitetdieseProblemezulösen. Sehrwertvolldafür: Flexibles Lasersystem und guteDiagnostik • Simulationen • ExperimentenachEinbaueinerPlasmazelle, die zurZeitentwickeltwird

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