Plasmabeschleunigung

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