DE102011104858A1 - A method of producing high energy electron beams of ultrashort pulse length, width, divergence and emittance in a hybrid laser plasma accelerator - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung von hochenergetischen Elektronenstrahlen ultrakurzer Pulslänge, geringer Breite, kleiner Divergenz und Emittanz in einem hybriden Laser-Plasma-Beschleuniger, gekennzeichnet dadurch, dass ein Teilchenstrahl aus Elektronen oder Protonen eine Plasmawelle in einem zunächst gasförmigen Medium derart treibt, dass eine mit diesem Treiberstrahl mitlaufende Plasmakavität entsteht, die frei von Plasmaelektronen ist, und in die ein synchronisierter Injektion-Laserpuls so fokussiert wird, dass eine zweite Komponente des gasförmigen Mediums, die bis dahin neutral war, ionisiert wird und so innerhalb der Plasmakavität Elektronen freisetzt, die dann in der Kavität gefangen und beschleunigt werden, und aufgrund des Injektionsprinzips besonders geringe transversale Impulskomponente, geringe Breite und Länge und damit geringe Emittanz und hohen Spitzenstrom haben, so dass sie sich für verschiedene physikalische Anwendungen, etwa für das Treiben eines Freie-Elektronen-Lasers, eignen.Method for generating high-energy electron beams of ultra-short pulse length, small width, small divergence and emittance in a hybrid laser-plasma accelerator, characterized in that a particle beam of electrons or protons drives a plasma wave in an initially gaseous medium in such a way that one with this driver beam A concurrent plasma cavity is created that is free of plasma electrons and into which a synchronized injection laser pulse is focused in such a way that a second component of the gaseous medium, which was previously neutral, is ionized and thus releases electrons within the plasma cavity, which then move into the Cavity are captured and accelerated, and due to the injection principle have particularly low transverse pulse components, small width and length and thus low emittance and high peak current, so that they are suitable for various physical applications, such as driving a free-electron laser en.

Description

Elektronenstrahlen haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten für technische Anwendungen, aber auch in der Grundlagenforschung und Teilchenbeschleunigerphysik. Für viele dieser Anwendungen benötigt man besonders kurze und kompakte Elektronenpulse mit Pulslängen im Bereich weniger Mikrometer oder darunter (entsprechend Pulsdauern einiger Femtosekunden), und Pulsbreiten ebenfalls im Bereich weniger Mikrometer. Zusätzlich soll für viele Anwendungen eine möglichst hohe Ladung im kompakten Puls enthalten sein. Wichtig ist darüber hinaus auch eine geringe Divergenz und Emittanz des erzeugten Elektronenstrahls, sowie die Möglichkeit, auf kurzen Beschleunigungsdistanzen möglichst hohe Teilchenenergien zu erreichen.Electron beams have many uses for technical applications, but also in basic research and particle accelerator physics. For many of these applications, particularly short and compact electron pulses with pulse lengths in the range of a few micrometers or less are required (corresponding to pulse durations of a few femtoseconds), and pulse widths also in the range of a few micrometers. In addition, for many applications, the highest possible charge should be contained in the compact pulse. Also important is a low divergence and emittance of the generated electron beam, as well as the ability to achieve as high as possible particle energies on short acceleration distances.

Plasmabasierte Beschleuniger sind herkömmlichen Beschleunigungstechniken dadurch überlegen, dass man mit ihnen beschleunigende und fokussierende Felder erzeugen kann, die um Größenordnungen höher als in herkömmlichen Beschleunigern wie Linearbeschleunigern (Linacs) sind, die auf Radiofrequenz-Kavitäten beruhen. Während in herkömmlichen Linacs die beschleunigenden Felder meist nur einige 10 Megavolt pro Meter betragen und bei maximal einigen 100 MV/m begrenzt sind, können Plasmabeschleuniger Felder im Gigavolt pro Meter-Bereich bis hoch zu Teravolt-pro-Meter erzeugen. Dadurch kann die zum Erreichen hoher Energien die benötigte Beschleunigungsstrecke minimiert werden, was beispielsweise Kostenersparnis bringt. Es ist bekannt, dass zum Beispiel am Stanford Linear Accelerator (SLAC), einem 3 km langen Linearelektronenbeschleuniger, eine Verdoppelung der Elektronenenergie von 42 GeV auf 84 GeV in einem Plasma mit einer Länge von unter einem Meter demonstriert werden konnte.Plasma-based accelerators are superior to conventional acceleration techniques in that they allow them to produce accelerating and focusing fields that are orders of magnitude higher than conventional accelerators such as linear accelerators (linacs) based on radio frequency cavities. While in conventional Linacs the accelerating fields are usually only a few 10 megavolts per meter and are limited to a few 100 MV / m, plasma accelerators can produce fields in the gigavolt per meter range up to teravolt-per-meter. As a result, the acceleration distance required to achieve high energies can be minimized, which, for example, brings cost savings. It is known, for example, that on the Stanford Linear Accelerator (SLAC), a 3 km long linear electron accelerator, a doubling of the electron energy from 42 GeV to 84 GeV could be demonstrated in a plasma with a length of less than one meter.

Plasmabeschleunigung beruht darauf, dass ein hochintensiver Laser-, Elektronen-, oder Protonenstrahl eine intensive Plasmawelle treiben kann, indem der Treiberstrahl die negativ geladenen Plasmaelektronen von der Strahlachse nach außen verdrängt, während die positiv geladenen, deutlich schwereren Plasmaionen in den relevanten, für die Beschleunigung benötigten Zeitskalen quastistationär bleiben, und die zuvor vom Treiberstrahl verdrängten Plasmaelektronen vom anziehenden Feld der Plasmaionen nach einer charakteristischen Zeit auf die Achse zurückgezogen werden, nämlich der Plasmawellenperiode τ = 2π/ωp, wobei π die Kreiszahl ist und ωp =

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die so genannte Plasmafrequenz, die mit der Wurzel der Plasmaelektronendichte ne skaliert, und in die sonst nur die Elementarladung e, die elektrische Feldkonstante ε0 und die Elektronenmasse me eingehen. Die vom Treiberstrahl erzeugten Plasmadichteoszillationen laufen mit dem Treiberstrahl, der typischerweise mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit c propagiert, mit, und erzeugen so eine Plasmawellenkavität, die zur Beschleunigung von Teilchen wie etwa Elektronen auf hohe Energien geeignet ist. Dabei kann die Größe der Plasmawellenkavität und die in ihr herrschenden beschleunigenden und fokussierenden Felder durch die Plasmaelektronendichte ne eingestellt werden. Um ein Plasma als Medium zu erzeugen, kann entweder der Treiberstrahl selbst so intensiv sein, dass bereits die Pulsfront des Treiberstrahls ein Gasvolumen, beispielsweise bereitgestellt durch einen von einer Düse ins Vakuum ausgeworfenem Gasstrahl oder in einem Plasmaofen, ionisiert, oder aber die Ionisierung selbst zuvor mit anderen Hilfsmitteln wie einem zusätzlichen Ionisations-Laserstrahl durchgeführt wird.Plasma acceleration is based on the fact that a high-intensity laser, electron, or proton beam can drive an intense plasma wave by the driving beam displacing the negatively charged plasma electrons outward from the beam axis, while the positively charged, significantly heavier plasma ions into the relevant, for the acceleration The time scales required remain quasi-stationary, and the plasma electrons previously displaced by the driving beam are retracted onto the axis by the attractive field of the plasma ions after a characteristic time, namely the plasma wave period τ = 2π / ω p , where π is the circle number and ω p =
Figure 00020001
the so-called plasma frequency, which scales with the root of the plasma electron density n e , and into which otherwise only the elementary charge e, the electric field constant ε 0 and the electron mass m e are received . The plasma density oscillations produced by the driving beam accompany the driving beam, which typically propagates at a speed close to the speed of light c, thus creating a plasma wave cavity suitable for accelerating particles such as electrons to high energies. In this case, the size of the plasma wave cavity and the accelerating and focusing fields prevailing in it can be adjusted by the plasma electron density n e . In order to generate a plasma as a medium, either the driver beam itself can be so intense that the pulse front of the driver beam already ionizes a gas volume, for example provided by a gas jet ejected from a nozzle into a vacuum or in a plasma oven, or the ionization itself beforehand with other aids such as an additional ionization laser beam.

Die Anfangsphase eines jeden Beschleunigungsprozesses ist entscheidend für die Qualität des zu beschleunigenden Elektronenstrahls. Die Injektion von Elektronen in Plasmabeschleuniger ist daher ein hochwichtiges Forschungsfeld. Elektronen können entweder als externe Strahlen in das Plasma injiziert werden, oder aber es können Elektronen aus dem Plasma selbst verwendet werden. So kann es je nach den verwendeten Parametern von Treiberstrahl und Plasma zu Selbst-Injektion am hinteren Teil der Plasmakavität kommen, oder es können zusätzlich Dichtesprünge im Plasma ausgenutzt werden, oder aber zwei kollidierende Laserstrahlen können genutzt werden, oder mehrere Gas-Spezies, bei denen die zweite Teilspezies noch nicht durch die Pulsfront, sondern erst durch das Pulsmaximum des Treiberstrahls (in diesem Fall eines Laserstrahls) ionisiert wird.The initial phase of each acceleration process is critical to the quality of the electron beam to be accelerated. The injection of electrons in plasma accelerators is therefore a highly important field of research. Electrons can either be injected into the plasma as external beams, or electrons from the plasma itself can be used. Thus, depending on the parameters used by driver jet and plasma, self-injection can take place at the back of the plasma cavity, or else plasma density jumps can be exploited, or two colliding laser beams can be used, or several gas species in which the second partial species is not ionized by the pulse front, but only by the pulse maximum of the driver beam (in this case a laser beam).

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein neuartiges Plasmabeschleunigungs-Verfahren, bei dem Elektronen durch einen Injektionslaserpuls auf extrem kontrollierte Art und Weise direkt in den beschleunigenden und fokussierenden Teil der Plasmawellenkavität freigesetzt werden können, und zwar mit besonders niedriger anfänglicher transversaler Impulskomponente. Dadurch lassen sich Elektronenstrahlen besonders geringer Emittanz herstellen, die für viele Anwendungen, beispielsweise zum Treiben eines Freie-Elektronen-Lasers, besonders gut geeignt sind.The subject of the present invention is a novel plasma acceleration method in which electrons can be released by an injection laser pulse in an extremely controlled manner directly into the accelerating and focusing part of the plasma wave cavity, with a particularly low initial transverse momentum component. This makes it possible to produce electron beams of particularly low emittance, which are particularly well suited for many applications, for example for driving a free-electron laser.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein hybrides Verfahren, das als Treiberpuls einen Teilchenpuls, etwa einen hochintensiven Elektronenstrahl (oder Protonenstrahl) nutzt, und zur Injektion ein ultrakurzer Laserpuls mit nicht-relativistischer Intensität zum Einsatz kommt. Hochintensive Elektronenpulse, die sich zum Treiben einer Plasmawelle eignen, sind heute in zunehmendem Maße verfügbar. Sie können einerseits aus herkömmlichen Beschleunigern stammen (wie etwa am Stanford Linear Accelerator SLAC), bei denen Pulskompressionsverfahren für die nötige Intensität sorgen, oder aber aus Laser-Plasma-Beschleunigern, die heute zunehmende Verbreitung finden.According to the invention, the object is achieved by using a hybrid method which uses a particle pulse, such as a high-intensity electron beam (or proton beam), as the drive pulse, and an ultrashort laser pulse with a non-relativistic intensity for injection. High-intensity electron pulses suitable for driving a plasma wave are increasingly available today. On the one hand, they can come from conventional accelerators (such as the Stanford Linear Accelerator SLAC) in which Pulse compression procedures provide the necessary intensity, or from laser-plasma accelerators, which are becoming increasingly prevalent today.

Besonders einfach ist der experimentelle Aufbau, wenn der treibende Elektronenstrahl so intensiv ist, dass er das Gasmedium selbst ionisieren kann. Die entscheidene Größe ist hier das radiale elektrische Feld Er des Elektronenpulses, dass umso größer ist, je höher die Ladung Q, je kürzer die Pulslänge σz und desto geringer die Pulsbreite σr ist. Das elektrische Radialfeld hat die Form Er(r) = Q/[(2π)3/2σzε0r][1 – exp(–r2/(2σ 2 / r))] . Elektronenstrahlen können Pulsdauern und Pulsbreiten im Bereich weniger Mikrometer haben, so dass deren Radialfelder Gase mit niedrigen Ionisationsschwellen ionisieren können.The experimental setup is particularly simple if the driving electron beam is so intense that it can ionize the gas medium itself. The decisive factor here is the radial electric field E r of the electron pulse, which is greater, the higher the charge Q, the shorter the pulse length σ z and the smaller the pulse width σ r . The electric radial field has the form E r (r) = Q / [(2π) 3/2 σ z ε 0 r] [1-exp (-r 2 / (2σ 2 / r))] , Electron beams may have pulse durations and pulse widths in the range of a few microns, so that their radial fields can ionize gases with low ionization thresholds.

Besonders gut geeignet ist dazu Lithium mit einer Schwelle für Tunnelionisation von einigen 10 GV/m. In der Tat wurde Lithium in der Vergangenheit für viele Plasmabeschleunigungsexperimente, zum Beispiel am SLAC, eingesetzt. Da Lithium bei Normalbedingungen fest ist, benötigt man einen so genannten Lithiumofen, um einen Lithiumdampf zu erzeugen. Solche Lithiumöfen sind seit den 1960er Jahren Stand der Technik. Typischerweise wird der Lithiumdampf in solchen Öfen von einem so genannten Buffergas umgeben. Als Buffergas kommt typischerweise Helium zum Einsatz. Dies bedeutet, dass der Elektronenstrahltreiber, bevor er den Plasmadampf erreicht, Lithium ionisiert und eine Plasmawelle treiben kann, zunächst durch Helium propagiert, und dann durch eine Grenzschicht, in der sowohl Lithium als auch Helium vorhanden ist. Da Helium mit einer Ionisationsenergie von 24,5 eV im Vergleich zu Lithium mit einer Ionisationsenergie von 5,39 eV deutlich schwieriger zu ionisieren ist als Lithium, kann ein Elektronenstrahl so eingestellt werden, dass Lithium von ihm ionisiert wird, Helium jedoch nicht.Lithium with a threshold for tunnel ionization of a few 10 GV / m is particularly well suited for this purpose. In fact, lithium has been used in the past for many plasma acceleration experiments, for example at the SLAC. Since lithium is solid under normal conditions, it requires a so-called lithium furnace to produce a lithium vapor. Such lithium ovens have been state of the art since the 1960s. Typically, the lithium vapor in such furnaces is surrounded by a so-called buffer gas. Helium is typically used as the buffer gas. This means that the electron beam driver, before it reaches the plasma vapor, can ionize lithium and drive a plasma wave, propagated first by helium, and then by an interface in which both lithium and helium are present. Since helium with an ionization energy of 24.5 eV compared to lithium with an ionization energy of 5.39 eV is much more difficult to ionize than lithium, an electron beam can be set so that lithium is ionized by it, but not helium.

Dies gilt erfindungsgemäß analog auch für andere Kombinationen von Gasen, oder auch für Gassorten mit deutlich verschiedenen Ionisationsstufen, wie etwa Cäsium, bei dem das erste Elektron durch den treibenden Elektronenstrahl durch Ionisation herausgelöst werden könnte, das zweite und dritte jedoch nicht. Cäsium hat zusätzlich den Vorteil, dass es die niedrigste erste Ionisierungsenergie aller Elemente hat, so dass die Anforderungen für den treibenden Elektronenstrahl noch geringer sind als für die Ionisation von Lithium benötigt.This applies analogously to other combinations of gases, or for gas types with significantly different ionization, such as cesium, in which the first electron could be removed by the driving electron beam by ionization, the second and third, however, not analogous. Cesium also has the advantage that it has the lowest first ionization energy of all elements, so that the requirements for the driving electron beam are even lower than needed for the ionization of lithium.

In einem herkömmlichen, mit Lithium und Helium als Buffergas betriebenen Ofen soll nun erfindungsgemäß ein Elektronenstrahl eine Plasmawelle derart treiben, dass das Lithium ionisiert wird, das Helium jedoch nicht. Der hierfür notwendige Elektronenstrahl soll entweder aus einem herkömmlichen Teilchenbeschleuniger stammen, oder aus einem Laser-Plasma-Beschleuniger.In a conventional furnace operated with lithium and helium as the buffer gas, according to the invention, an electron beam is intended to drive a plasma wave in such a way that the lithium is ionized, but not the helium. The electron beam necessary for this purpose should come either from a conventional particle accelerator, or from a laser-plasma accelerator.

Falls der Elektronenstrahl nicht über genügend hohe Radialfelder verfügt, um Tunnelionisation des Lithiums effektiv herbeizuführen, soll erfindungsgemäß das Lithium zusätzlich zuvor durch einen Laserstrahl geeigneter Wellenlänge ionisiert werden. Für Lithium eignen sich dazu in besonderer Weise etwa Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 193 nm. Dann propagiert der Elektronenstrahl-Treiber bereits durch vorionisiertes Plasma und muss dann nur noch die Kraft aufbringen, Plasmaelektronen von der Achse zu verdrängen.If the electron beam does not have sufficiently high radial fields to effectively induce tunnel ionization of the lithium, according to the invention the lithium should additionally be previously ionized by a laser beam of suitable wavelength. Excimer lasers with a wavelength of about 193 nm are particularly suitable for lithium. Then, the electron beam driver already propagates through pre-ionized plasma and then only has to apply the force to displace plasma electrons from the axis.

Erfindungsgemäß ist diese Methode der Vorionisation auch für Protonenstrahl-Treiber geeignet, zumal Protonenpulse heute noch nicht eine mit Elektronenstrahlen vergleichbare Kompaktheit erreichen.According to the invention, this method of pre-ionization is also suitable for proton beam drivers, especially as proton pulses do not yet achieve compactness comparable to electron beams.

Nachdem vom hochenergetischen Treiberstrahl nun Plasmaelektronen der Gaskomponente mit der niedrigen Ionisationsschwelle von der Achse vertrieben werden, entsteht eine Plasmakavität mit quasistationärem Ionenhintergrund und neutralem Heliumgas, das sowohl vom Treiberstrahl als auch von der Plasmawelle zunächst nicht beeinflusst wird. Im nächsten Schritt wird nun erfindungsgemäß ausgenutzt, dass schon Laserpulse mit vergleichsweise geringen, nichtrelativistischen Intensitäten in ihrem Fokus Intensitäten und elektrische Felder erzeugen können, die dazu ausreichen, um selbst Gase beziehungsweise Gaskomponenten mit deutlich höheren Ionisationsschwellen zu ionisieren. Typischerweise gibt man die Intensität eines Laserpulses mit Hilfe des so genannten dimensionslosen Vektorpotentials α0 an, woraus über E0 = α02πmec2/(eλ) die elektrische Feldamplitude E0 berechnet werden kann, wobei λ die Laserpulswellenlänge ist. Ein Ti:Sa Festkörperlaser, wie sie heute standardmäßig zum Einsatz kommen, hat eine Zentralwellenlänge in Höhe von λ = 800 nm. Ein Ti:Sa Laserpuls beispielsweise mit einem α0 = 0.018 im Fokus entspricht dann einer moderaten Laserintensität in Höhe von I ≈ 7 × 1014 Wcm–2 und hat im Fokus elektrische Feldstärken in Höhe von E0 ≈ 72 GV/m, was ausreicht, um Helium zu ionisieren. Um nun Elektronen in die Plasmakavität zu injizieren, genügt es, den Laserpuls in die Plasmakavität zu fokussieren, wo keine Lithiumelektronen vorhanden sind, aber neutrales Helium, das nun per Ionisation durch den Injektionslaserpuls Elektronen innerhalb der Plasmakavität zur Verfügung stellt. Dazu muss der Laserpuls genau auf Achse in kopropagierende Richtung mit dem Treiberstrahl eingestellt werden. Dies soll erfindungsgemäß durch Verwendung einer Lochparabolspiegel beziehungsweise einem Lochspiegel geschehen. Der Treiberstrahl (Elektronen- oder Protonenstrahl) kann dann ohne gestreut beziehungsweise geblockt zu werden durch das Loch propagieren, und der Laserpuls wird durch den Lochparabolspiegel beziehungsweise Lochspiegel genau auf Achse fokussiert. Der Lochspiegel soll sich entweder außerhalb oder innerhalb des Gasmedium-Reservoirs befinden. Zeichnung 1 zeigt eine schematische Darstellung des Grundprinzips der Erfindung. Der Treiberstrahl (a) erzeugt durch Elektronenverdrängung von der Achse eine Plasmakavität, die in ihrer vorderen Hälfte auf Elektronen defokussierend und abbremsend, in ihrer zweiten Hälfte jedoch fokussierend und beschleunigend wirkt. Der fokussierte Injektion-Laserpuls, gezeichnet ist hier die Einhüllende (b) des Lasers, ionisiert nun in der zweiten Hälfte der Plasmakavität die neutrale Gaskomponente im Fokusbereich (c), so dass hier Elektronen freigesetzt werden, die dann beschleunigt werden.After plasma electrons of the gas component with the low ionization threshold are driven away from the axis by the high-energy driver beam, a plasma cavity with quasi-stationary ion background and neutral helium gas is formed, which is initially unaffected by both the driver beam and the plasma wave. In the next step, the invention exploits the fact that even laser pulses with comparatively low, non-relativistic intensities can generate intensities and electric fields in their focus which are sufficient to ionize even gases or gas components with significantly higher ionization thresholds. Typically, the intensity of a laser pulse is given by means of the so-called dimensionless vector potential α 0 , from which the electrical field amplitude E 0 can be calculated via E 0 = α 0 2πm e c 2 / (eλ), where λ is the laser pulse wavelength. A Ti: Sa solid-state laser, as used today by default, has a central wavelength in the amount of λ = 800 nm. A Ti: Sa laser pulse, for example, with an α 0 = 0.018 in focus then corresponds to a moderate laser intensity in the amount of I ≈ 7 × 10 14 Wcm -2 and has in focus electric field strengths in the amount of E 0 ≈ 72 GV / m, which is sufficient to ionize helium. In order to inject electrons into the plasma cavity, it is sufficient to focus the laser pulse into the plasma cavity, where no lithium electrons are present, but neutral helium, which now provides electrons within the plasma cavity by ionization by the injection laser pulse. For this purpose, the laser pulse must be set exactly on axis in the copropagating direction with the driver beam. This should happen according to the invention by using a perforated parabolic mirror or a perforated mirror. The driver beam (electron beam or proton beam) can then propagate through the hole without being scattered or blocked, and the laser pulse is focused precisely on axis by the perforated parabolic mirror or hole mirror. The hole mirror should are either outside or inside the gas medium reservoir. Drawing 1 shows a schematic representation of the basic principle of the invention. The driving beam (a) generates a plasma cavity by electron displacement from the axis, which in its front half defocusing and decelerating electrons, but focusing and accelerating in its second half. The focused injection laser pulse, drawn here is the envelope (b) of the laser ionized now in the second half of the plasma cavity, the neutral gas component in the focus area (c), so that here electrons are released, which are then accelerated.

Um den vom Laserpuls freigesetzten Elektronen innerhalb der Plasmaelektronenkavität eine möglichst geringe transversale Impulskomponente zu verleihen, was die Emittanz des zu beschleunigenden Elektronenstrahls vorteilhaft minimiert, müssen die Elektronen vom Laserpuls zu Beginn der zweiten Hälfte der Plasmaelektronenkavität freigesetzt werden. Im Gegensatz zur ersten Hälfte der Plasmaelektronenkavität herrschen dort, in der zweiten Hälfte, sowohl beschleunigende als auch fokussierende Felder. Der fokussierende Effekt führt dazu, dass die Elektronen auf der Achse zusammengedrängt werden, und wirkt so der Coulomb-Abstoßung der Elektronen entgegen.In order to give the electrons released by the laser pulse within the plasma electron cavity as small a transverse momentum component as possible, which advantageously minimizes the emittance of the electron beam to be accelerated, the electrons must be released from the laser pulse at the beginning of the second half of the plasma electron cavity. In contrast to the first half of the plasma electron cavity prevail there, in the second half, both accelerating and focusing fields. The focusing effect causes the electrons to be forced together on the axis, counteracting the Coulomb repulsion of the electrons.

Dies bedeutet, dass der Laserpuls im Vergleich zum Treiberstrahl zeitlich versetzt nachfolgen muss, und zwar etwa um eine halbe Plasmaperiode τ = 2π/ωp, da die gesamte Länge der Plasmawellenkavität einer gesamten Plasmaperiode entspricht. Beispielsweise im Fall einer Plasmaelektronendichte der Gaskomponente mit der niedrigen Ionisationsschwelle, die zur Bildung der Plasmawellenkavität verwendet wird, in Höhe von ne = 6.6 × 1017 cm–3, was einer linearen Plasmawellenlänge von λp ≈ 41 μm entspricht, muss der Laserpuls etwa 20.5 μm hinter beziehungsweise 68 fs nach dem Treiberstrahl kommen.This means that the laser pulse must follow in time compared to the driver beam, namely about half a plasma period τ = 2π / ω p , since the entire length of the plasma wave cavity corresponds to an entire plasma period. For example, in the case of a plasma electron density of the gas component having the low ionization threshold used to form the plasma wave cavity, of n e = 6.6 × 10 17 cm -3 , which corresponds to a linear plasma wavelength of λ p ≈ 41 μm, the laser pulse must be about 20.5 μm behind or 68 fs after the driver beam.

Wird ein Elektronenstrahl aus einem Laser-Plasma-Beschleuniger als Treiberstrahl verwendet, ist diese zeitliche Synchronisation besonders unproblematisch. Da der Laserpuls, der zur Herstellung eines Elektronen-Treiberstrahls benötigt wird, um Größenordnungen intensiver sein muss als der Injektionslaserpuls, genügt es, über Standardverfahren einen sehr geringen Bruchteil des Laserpulses abzuteilen und über eine optische Verzögerungslinie, etwa durch Verschieben von Spiegeln mit Hilfe von Mikrometerschrauben, auf die gewünschte Verzögerung einzustellen.If an electron beam from a laser-plasma accelerator is used as a driver beam, this temporal synchronization is particularly unproblematic. Since the laser pulse required to produce an electron drive beam must be orders of magnitude more intense than the injection laser pulse, it is sufficient to divide a very small fraction of the laser pulse by standard methods and an optical delay line, such as by moving mirrors using micrometer screws to set to the desired delay.

Im Falle von mit herkömmlichen Beschleunigern erzeugten Treiber-Teilchenstrahlen ist eine Synchronisation schwieriger, aber auch hier entspricht dem Stand der Technik, dass Schwankungen im sub-100-Femtosekundenbereich bereits erzielt wurden, und weiter verbessert werden. Hinzu kommt, dass die fokussierenden und beschleunigenden Felder im Innern der Plasmaelektronenkavität ab der Mitte der Kavität bis zum Ende zunehmen, so dass die beschleunigende Wirkung weiter hinten größer ist.In the case of driver particle beams produced by conventional accelerators, synchronization is more difficult, but again, the prior art has found that variations in the sub-100 femtosecond range have already been achieved and further improved. In addition, the focusing and accelerating fields in the interior of the plasma electron cavity increase from the center of the cavity to the end, so that the accelerating effect is greater behind.

Da sich die Plasmakavität genau mit der Geschwindigkeit des Treiberstrahls, also typischerweise annähernd mit Lichtgeschwindigkeit, bewegt, die vom Laserpuls freigesetzten Elektronen innerhalb der Kavität sich aber zunächst in Ruhe befinden, benötigen diese Elektronen einige Zeit, um vom beschleunigenden elektrischen Feld ebenfalls auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt zu werden. In Kombination mit dem innerhalb der Kavität ansteigenden elektrischen Beschleunigungsfeld sorgt dies dafür, dass sich die injizierten Elektronen meist etwa am Ende der Kavität sammeln. Dies trägt dazu bei, dass das Verfahren sehr robust gegen eventuelle Schwankungen des Laserpuls-Timings ist.Since the plasma cavity moves at exactly the speed of the driver beam, ie typically at the speed of light, but the electrons released by the laser pulse are initially at rest within the cavity, these electrons take some time to approach a speed from the accelerating electric field as well the speed of light to be accelerated. In combination with the electrical acceleration field rising within the cavity, this ensures that the injected electrons usually accumulate approximately at the end of the cavity. This contributes to the fact that the method is very robust against possible fluctuations of the laser pulse timing.

Die Injektion der Elektronen erfolgt möglichst früh nach Bildung der Plasmakavität durch den Treiberstrahl. Das System wirkt dann wie ein Energie-Transformator, bei dem Gesamtenergie vom Treiberstrahl auf die injizierten Elektronen übergeht. Da ab einer Elektronenenergie von etwa 1 MeV die Propagationsgeschwindigkeit von Elektronen nahezu Lichtgeschwindigkeit beträgt, gibt es keine signifikanten Laufzeitunterschiede, so dass das System in sich stabil ist. Die Energieschärfe des beschleunigenden Elektronenstrahls ist weitgehend irrelevant und kann ohne weiteres mehrere 10% betragen, da die Elektronen dennoch etwa gleichschnell propagieren. Es kommt lediglich auf die Gesamtenergie des Treiberstrahls an, wieviel Energie den injizierten Elektronen übertragen werden kann.The injection of the electrons occurs as early as possible after formation of the plasma cavity by the driver beam. The system then acts as an energy transformer in which the total energy from the driver beam passes to the injected electrons. Since the electron propagation velocity is near the speed of light at an electron energy of about 1 MeV, there are no significant propagation delays, so the system is inherently stable. The energy sharpness of the accelerating electron beam is largely irrelevant and can be easily more than 10%, since the electrons propagate about equally fast. It only depends on the total energy of the driver beam, how much energy can be transferred to the injected electrons.

Da Laser-Plasma-Beschleuniger oft Elektronenstrahlen mit großer Energieunschärfe erzeugen, und hingegen die Erzeugung von Elektronenstrahlen mit Energieunschärfen im Promillbereich, wie man sie von herkömmlichen Beschleunigern her kennt, mit Laser-Plasma-Beschleunigern sehr schwierig ist, sind mit Laser-Plasma-Beschleunigern erzeugte Elektronenstrahlen besonders gut als Treiberstrahlen geeignet. Dann wirkt das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren wie ein Energieschärfe-Transformator, da der beschleunigte Elektronenstrahl eine deutlich geringere Energieschärfe als der treibende Elektronenstrahl haben kann.Since laser-plasma accelerators often produce electron beams with high energy uncertainty and, on the other hand, the generation of electron beams with energy bleaching in the per mil range, as known from conventional accelerators, is very difficult with laser-plasma accelerators, laser-plasma accelerators are generated electron beams particularly well suited as driver beams. Then the method on which the invention is based acts like an energy-sharpness transformer, since the accelerated electron beam can have a significantly lower energy sharpness than the driving electron beam.

Um den Ionisationsschwellenunterschied der ersten und zweiten Gaskomponente zu erhöhen, kann als zweite Gaskomponente eine mit noch höherer Ionisationsschwelle gewählt werden, so dass dann die Robustheit des Systems gegenüber eventuellen Schwankungen der elektrischen Radialfelder des Treiberstrahls erhöht wird, weil dann im Bedarfsfall sichergestellt werden kann, dass nicht schon der Treiberstrahl Teile der zweiten Gaskomponente ionisiert.In order to increase the Ionisationsschwellenunterschied the first and second gas component can be selected as a second gas component with even higher ionization threshold, so that then the robustness of the system against any fluctuations of the electric radial fields of the driver beam is increased, because then can be ensured if necessary, that not already the driver beam parts of the second gas component ionized.

Durch Einstellen der Stärke der Fokussierung des Injektionslaserpulses kann die Größe des Fokus eingestellt werden. Generell gilt, dass bei stärkerer Fokussierung der Fokusdurchmesser w0 kleiner wird, und die so genannte Rayleigh-Länge z0 = πw 2 / 0/λ abnimmt, wobei λ die Laserwellenlänge ist. Dadurch nimmt das Fokusvolumen, in dem die Gaskomponente mit der höheren Ionisationsschwelle ionisiert wird, ab. Das Volumen des ionisierten Bereiches kann daher sowohl über die Laserenergie als auch über die Fokussierstärke geregelt werden. Ein kleines Ionisationsvolumen ermöglicht die Bildung eines besonders kompakten Elektronenpulses.By adjusting the intensity of the focusing of the injection laser pulse, the size of the focus can be adjusted. In general, the focus diameter w 0 becomes smaller with stronger focusing, and the so-called Rayleigh length z 0 = πw 2/0 / λ decreases, where λ is the laser wavelength. As a result, the focus volume in which the gas component with the higher ionization threshold is ionized decreases. The volume of the ionized region can therefore be regulated both by the laser energy and by the focusing power. A small ionization volume allows the formation of a particularly compact electron pulse.

Um zusätzlich die Zahl der pro Ionisationsvolumen freigesetzten Elektronen zu erhöhen, soll die lokale Dichte der zweiten Gaskomponente erhöht werden. Dies kann am Beispiel eines Lithium-Heliumgemischs in einem Lithiumofen mit Helium-Buffergas dadurch bewerkstelligt werden, dass man kurz vor Eintreffen des Treiberstrahls die Heliumdichte erhöht, oder aber indem man den Lithiumofen in einem Nichtgleichgewichtszustand betreibt, oder aber indem man kurz vor Eintreffen des Treiberstrahls über ein Ventil die lokale Heliumdichte erhöht, indem man aus einem zusätzlichen Reservoir eine an Helium reichere Helium-Lithium-Mischung in der Nähe der Injektionsposition in das Hauptreservoir fließen lässt. Dabei muss das an Helium reichere Gemisch einen höheren Druck als das Gasgemisch im Hauptreservoir besitzen, so dass erstens das heliumreichere Gemisch in das Hauptreservoir strömt, und zweitens die lokale Lithiumdichte zum Zeitpunkt des Eintreffens des Treiberstrahls konstant bleibt. Darüber hinaus sind auch andere Buffergase wie etwa Stickstoff, Argon oder Neon erfindungsgemäß vorgesehen, bei denen der Ionisationslaserpuls gleich mehrere Elektronen pro Atom freisetzen kann.In order to additionally increase the number of electrons released per ionization volume, the local density of the second gas component should be increased. This can be accomplished using the example of a lithium-helium mixture in a lithium furnace with helium buffer gas by increasing the helium density shortly before the driver jet arrives, or by operating the lithium furnace in a nonequilibrium state, or shortly before the driver jet arrives via a valve, the local helium density increased by allowing a helium-lithium mixture richer in helium flow from an additional reservoir in the vicinity of the injection position in the main reservoir. In this case, the richer in helium mixture must have a higher pressure than the gas mixture in the main reservoir, so that firstly the helium richer mixture flows into the main reservoir, and secondly, the local lithium density at the time of arrival of the driver jet remains constant. In addition, other buffer gases such as nitrogen, argon or neon are provided according to the invention, in which the ionization laser pulse can release several electrons per atom.

Elektronenpulse aus herkömmlichen Elektronenbeschleunigern wie etwa dem Stanford Linear Accelerator (SLAC) kommen ebenfalls als Treiberstrahlen in Betracht. Ein Strahl wie am SLAC mit einer Länge von 50 Femtosekunden, einer Ladung von etwa 3 Nano-Coulomb, einer transversalen Breite von einigen Mikrometern, einer Energie von etwa 42 GeV und einer Energiebreite von etwa 1,5 GeV ist ein exzellenter Treiberstrahl-Kandidat. Es konnte bereits demonstriert werden, dass ein solcher Puls in einem Lithium-Helium-Ofen kraft seiner elektrischen Selbst-Felder eine Lithium-Plasmakavität durch Tunnelionisation treiben kann, wobei es auf einer Strecke von etwa einem Meter zu Energieverdopplung eines kleinen Teils der Elektronen des Treiberstrahls selbst gekommen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hingegen kontrolliert ein Elektronenpuls durch Ionisation von Helium erzeugt, der dann ein kompakter Einzelpuls mit geringer Divergenz und Emittanz ist. Ein solcher, ultrakompakter Strahl hat dann nach wenigen Zentimetern bereits eine Energie, die ausreicht, um einen hochperformanten Freie-Elektronen-Laser zu treiben.Electron pulses from conventional electron accelerators such as the Stanford Linear Accelerator (SLAC) are also considered as driver beams. A beam like the SLAC with a length of 50 femtoseconds, a charge of about 3 nano Coulomb, a transverse width of a few microns, an energy of about 42 GeV and an energy width of about 1.5 GeV is an excellent driver beam candidate. It has already been demonstrated that such a pulse can drive a lithium plasma cavity by tunnel ionization in a lithium-helium furnace by virtue of its electric self-fields, with energy doubling a small portion of the driving beam electrons over a distance of about one meter itself came. By contrast, in the method according to the invention, an electron pulse is generated by ionization of helium in a controlled manner, which is then a compact single pulse with low divergence and emittance. After just a few centimeters, such an ultra-compact beam already has enough energy to drive a high-performance free-electron laser.

Ein Grund für die Energieschärfe des erzeugten Elektronenpulses liegt darin, dass die Länge des Pulses am Ende der Plasmakavität sehr gering ist und dadurch das beschleunigende Feld, des mit weiter hinten gelegener Position innerhalb der Plasmakavität zunimmt, keine große Differenz aufweist. Erfindungsgemäß kann aber die am Ende der Beschleunigung erhaltene Energieschärfe dadurch weiter minimiert werden, dass die Ladung und Ladungsverteilung des zu beschleunigenden Elektronenstrahls so groß eingestellt wird, dass das elektrische Radialfeld dieses Pulses so groß wird, dass es das elektrische Feld der Plasmakavität so verzerrt, dass das auf den zu beschleunigenden Elektronenstrahl wirkende beschleunigende Feld über die gesamte Länge des Strahls konstant ist (so genanntes beam loading).One reason for the energy sharpness of the generated electron pulse is that the length of the pulse at the end of the plasma cavity is very small, and thus the accelerating field, which increases with position further behind within the plasma cavity, has no great difference. According to the invention, however, the energy sharpness obtained at the end of the acceleration can be further minimized by making the charge and charge distribution of the electron beam to be accelerated so large that the electric radial field of this pulse becomes so large that it distorts the electric field of the plasma cavity that on the accelerating electron beam acting accelerating field over the entire length of the beam is constant (so-called beam loading).

Es ist ferner Gegenstand der Erfindung, den Injektions-Laserstrahl optional in einem beliebigen Winkel zum Treiberstrahl in die Plasmakavität zu fokussieren. Dadurch wird ermöglicht, den Elektronenpuls weitgehend zu formen, weil die Elektronen anfänglich entlag der Propagationsachse des Laserpulses in der Plasmakavität freigesetzt werden.It is a further object of the invention to focus the injection laser beam optionally at any angle to the driver beam in the plasma cavity. This makes it possible to largely shape the electron pulse, because the electrons are initially released entlag the propagation axis of the laser pulse in the plasma cavity.

Es ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung, dass der Laserpuls um einige Mikrometer von der Propagationsachse des Treiberstrahls versetzt injiziert wird, aber so, dass er noch in der Plasmakavität gefangen wird. Dann führt dieser kompakte Elektronenpuls aufgrund der fokussierenden Wirkung der Plasmakavität ausgeprägte Betatron-Schwingungen aus, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen genutzt werden können.It is also an object of the invention that the laser pulse is injected offset by a few microns from the propagation axis of the drive beam, but so that it is still trapped in the plasma cavity. Then, due to the focusing effect of the plasma cavity, this compact electron pulse produces pronounced betatron vibrations, which can be used to generate X-rays.

Claims (10)

Verfahren zur Erzeugung von hochenergetischen, intensiven Elektronen- oder Protonenpulsen ultrakurzer Pulslänge, geringer Breite, kleiner Divergenz und Emittanz in einem hybriden Laser-Plasma-Beschleuniger, gekennzeichnet dadurch, dass ein Teilchenstrahl aus Elektronen oder Protonen eine intensive Plasmawelle in einem zunächst gasförmigen Medium derart treibt, dass eine mit diesem Treiberstrahl mitlaufende Plasmakavität entsteht, die frei von Plasmaelektronen ist, und in die ein mit dem Treiberstrahl synchronisierter Injektions-Laserpuls, der auf beliebige Weise polarisiert sein kann, insbesondere linear, zirkular, oder elliptisch, fokussiert wird, dass eine zweite Komponente des gasförmigen Mediums, die bis dahin neutral war, ionisiert wird und so innerhalb der Plasmakavität Elektronen freisetzt, die dann in der Kavität gefangen und beschleunigt werden.Method for generating high-energy, intense electron or proton pulses of ultrashort pulse length, narrow width, small divergence and emittance in a hybrid laser-plasma accelerator, characterized in that a particle beam of electrons or protons drives an intense plasma wave in an initially gaseous medium in such a way in that a plasma cavity, which is free of plasma electrons and runs parallel to this driving beam, is produced, into which an injection laser pulse synchronized with the driving beam, which can be polarized in any desired manner, in particular linear, circular, or elliptical, is focused Component of the gaseous medium, which was neutral until then, is ionized and thus releases electrons within the plasma cavity, which are then trapped and accelerated in the cavity. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiberstrahl ein so kompakter und ladungsintensiver Elektronen- oder Protonenstrahl ist, dass er ein elektrisches Feld hat, das Gase und/oder Gaskomponenten mit geringer erster Ionisationsschwelle wie etwa Lithium ohne fremde Hilfe ionisieren und eine intensive Plasmawelle und Plasmaelektronenkavität mit beschleunigenden Feldern in Größenordnung von Gigavolt bis hin zu Teravolt pro Metern, wobei die Größe der Plasmakavität und des elektrischen Feldes über die Plasmaelektronendichte eingestellt wird, in dem zunächst gasförmigen Medium treiben kann.A method according to claim 1, characterized in that the driving beam is such a compact and charge-intensive electron or proton beam that it has an electric field that ionizes gases and / or gas components with a low first ionization threshold such as lithium unaided and an intense plasma wave and plasma electron cavities with accelerating fields on the order of gigavolt to teravolt per meter, wherein the size of the plasma cavity and the electric field is set by the plasma electron density, in which initially gaseous medium can drive. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisation des Gases und/oder der Gaskomponente anstatt durch den die Plasmawelle treibenden Elektronen- oder Protonenstrahl stattdessen durch Hilfsmittel wie einen Laserstrahl, im Falle von Lithium etwa duch einen Excimer-Laser bei einer Wellenlänge von 193 Nanometern, bewerkstelligt wird, so dass ein Treiberstrahl geringerer Ladung und Kompaktheit verwendet werden kann, der zwar ausreicht, um eine Plasmawelle zu treiben, nicht aber selbst- und vollständig ionisieren kann.A method according to claim 1, characterized in that the ionization of the gas and / or the gas component instead by the plasma or plasma driving electron or proton beam instead by aids such as a laser beam, in the case of lithium as by an excimer laser at a wavelength of 193 Nanometers, so that a driver beam of lower charge and compactness can be used, which is sufficient to drive a plasma wave, but can not self-ionize completely and completely. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiberstrahl nicht besonders monoenergetisch sein muss, sondern eine größere Energiebreite aufweisen kann.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the driver beam does not have to be particularly monoenergetic, but may have a larger energy width. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ultrakurze Injektion-Laserpuls mit dem Treiberstrahl ko-propagiert, aber zeitlich etwas nach hinten versetzt ist, und so in die Plasmaelektronenkavität hineinfokussiert wird, dass er im Fokusbereich so hohe Lichtintensität aufweist, dass dort die höhere Ionisationsschwelle der zweiten Gaskomponente überschritten wird, und Elektronen an beliebiger Position innerhalb der Plasmaelektronenkavität freigesetzt werden, die dann in der Plasmakavität gefangen, fokussiert und aufgrund der hohen Felder in kurzer Distanz auf hohe Energien beschleunigt werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ultrashort injection laser pulse co-propagates with the driver beam, but is slightly offset backwards in time, and is focussed into the plasma electron cavity so that it has such high light intensity in the focus area, that there the higher ionization threshold of the second gas component is exceeded, and electrons are released at any position within the plasma electron cavity, which are then trapped in the plasma cavity, focused and accelerated due to the high fields in a short distance to high energies. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschleunigten Elektronen eine Divergenz, Pulslänge, Pulsbreite, Pulsdichte, Emittanz und Energiebreite haben können, die weit geringer ist als die des die Plasmawelle treibenden Strahls.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the accelerated electrons can have a divergence, pulse width, pulse width, pulse density, emittance and energy width, which is far lower than that of the plasma wave driving beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl beziehungsweise Ladung der vom Laserpuls ionisierten und injizierten Elektronen sowohl durch die Laserintensität als auch durch die lokale Gasdichte gesteuert werden kann.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the number or charge of the laser pulse ionized and injected electrons can be controlled both by the laser intensity and by the local gas density. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch transversales Versetzen des Laserpulses von der Longitudinalachse innerhalb der Plasmaelektronenkavität ein kompakter Elektronenpuls abseits der Propagationsachse des Treiberstrahls erzeugt werden kann, der dann aufgrund der starken radialen Felder innerhalb der Plasmaelektronenkavität um die Propagationsachse oszilliert und Betatron-Oszillationen ausführt, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen genutzt werden können.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that by transversal displacement of the laser pulse from the longitudinal axis within the plasma electron cavity, a compact electron pulse can be generated off the propagation axis of the driver beam, which then oscillates around the propagation axis due to the strong radial fields within the plasma electron cavity and perform betatron oscillations that can be used to generate x-rays. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verkippen des Injektions-Laserpulses relativ zur Propagationsachse des Treiberstrahls die Form des in der Plasmakavität erzeugten und beschleunigten Elektronenpulses in weiten Grenzen gesteuert werden kann.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that by tilting the injection laser pulse relative to the propagation axis of the driver beam, the shape of the generated and accelerated in the plasma cavity electron pulse can be controlled within wide limits. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kompakte und intensive Elektronenpuls einen Freie-Elektronen-Laser treibt.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the compact and intense electron pulse drives a free-electron laser.
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