NIC Excellence Project 2016/1
Elektronen-Injektionsmethoden in plasmabasierten Beschleunigern für die Realisierung kompakter Freie-Elektronen-Laser
John von Neumann Exzellenzprojekt 2016
Dr. Alberto Martinez de la Ossa, Deutsches Elektronen-Synchrotron - DESY
Plasmabasierte Teilchenbeschleunigung ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, die etwa tausendfach größere elektrische Beschleunigungsfelder ermöglicht als konventionelle Methoden. Hochintensive Laserpulse [1] oder stark komprimierte Teilchenpakete [2,3] regen in einem Plasma Wellen an, die sich etwa mit Lichtgeschwindigkeit mit den Treibern mitbewegen. In diesen Wellen herrschen extreme elektrische Felder in der Größenordnung von 100 GV/m und eine elektromagnetische Feldkonfiguration, die eine schnelle Beschleunigung und gleichzeitig den stabilen Transport von Elektronenpaketen erlauben. Diese neuartigen Beschleuniger ermöglichen deshalb, auf kleinsten Distanzen Elektronenstrahlen zu erzeugen, die für Anwendungen, wie etwa Freie-Elektronen-Laser (FEL), geeignet sind [4,5]. Solche stark verkleinerten FEL würden deutlich weniger kosten und die Verfügbarkeit von kohärenten Röntgenquellen in der interdisziplinären Forschung drastisch erhöhen.
Eine der größten Herausforderungen in der Forschung an plasmabasierten Beschleunigern ist die stabile Injektion von wohldefinierten Elektronenpaketen in die Plasmawellen. Dieser Herausforderung widmet sich dieses Projekt mit Hilfe von Particle-In-Cell (PIC) Simulationen, die die relativistische Dynamik der etwa 1020 Plasma-Elektronen, die über Elektromagnetische Felder wechselwirken, akkurat wiedergeben können und dabei Rechenkapazitäten benötigen, wie sie von modernen Supercomputern wie JUQUEEN bereit gestellt werden. Dabei werden die Maxwellgleichungen auf einem Gitter berechnet, auf dem zuvor die Ströme von numerischen Teilchen deponiert wurden. Die Simulation des Problems ist nur möglich durch eine parallelisierte Berechnung auf vielen Rechenkernen. Das in diesem Projekt benutzte Simulations-Framework OSIRIS [6] zeichnet sich durch eine effiziente Hybrid-Parallelisierung (openMP/MPI) sowie durch performante, vektorisierte node-level Algorithmen aus und ermöglicht deshalb eine komplette numerische Wiedergabe von relevanten Problemstellungen der plasmabasierten Beschleunigung in drei Dimensionen.
Abbildung 1: Ergebnis einer PIC-Simulation von einem 1 GeV Elektronenstrahl, der ein gleichförmiges Plasma mit einer Dichte von ~1018 Teilchen pro cm3 durchquert und dabei eine stark nichtlineare Plasmawelle anregt. Ein kompaktes Elektronenpaket wird mittels einer feldinduzierten Ionisation injiziert und dann von einem elektrischen Feld von mehr als 100 GV/m beschleunigt. Der so produzierte Strahl hat schon nach 3 cm Beschleunigungsstrecke eine pro-Elektron Energie, die diejenige des Treiberstrahls um das Dreifache übersteigt und weist dabei eine sehr hohe Qualität (hohe Ladungsdichte und niedrige Emittanz) auf.
In Abbildung 1 ist das Ergebnis einer PIC-Simulation mit OSIRIS zu sehen. In dieser wurde der vollständige Prozess der Injektion von Elektronen durch eine neuartige Methode der lokalisierten, feldinduzierten Ionisation in elektronenstrahlgetriebenen Plasmabeschleunigern [7] studiert. In diesem Beispiel sind die Felder in der nichtlinearen und relativistischen Plasmawelle so stark, dass diese Elektronen aus den Hüllen von Heliumatomen lösen können, mit denen das Wasserstoffplasma zuvor in einer gewissen Region dotiert wurde. Die so erzeugten Elektronenpakete haben eine hohe Phasenraumdichte und damit eine hohe Qualität und werden durch die hohen Felder in wenigen Zentimetern auf eine für Anwendungen benötigte Energie gebracht.
Der generierte Elektronenstrahl hat dann außerdem eine Pro-Teilchen-Energie, die diejenige des Treiberstrahls um das Dreifache übersteigt. Gleichzeitig ist die Phasenraumdichte und damit die Brillianz um das Zehnfache erhöht.
Die Kontrolle über den Prozess der Elektroneninjektion in plasmabasierten Beschleunigern spielt für die Realisierung kompakter und günstiger kohärenter Röntgenquellen wie etwa FEL eine Schlüsselrolle. Dieses Projekt hat deshalb das Ziel mit der Untersuchung neuartiger Injektionsmethoden solchen FEL auf Basis plasmabasierter Beschleuniger den Weg zu ebnen.
Literaturverweise:
[1] Tajima and Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979)
[2] Veksler, Proceedings of CERN Symposium on High Energy Accelerators and Pion Physics 1, 80 (1956).
[3] Blumenfeld et al., Nature 445, 741 (2007).
[4] Fuchs et al., Nat. Physics 5, 826-829 (2009).
[5] Maier et al., Phys. Rev. X 2, 031019 (2012).
[6] Fonseca et al., Lecture Notes in Computer Science 2331, 342 (2002).
Fonseca et al., Plasma Phys. Control. Fusion 50, 124034 (2008).
Fonseca, et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 55, 124011 (2013).
[7] Martinez de la Ossa et al., Phys. Rev. Lett.111, 245003 (2013).
Martinez de la Ossa et al., Phys. Plasmas 22 093107 (2015)..
Kontakt:
Alberto Martinez de la Ossa
Plasma Acceleration Group, FLA
Deutsches Elektronen-Synchrotron - DESY
Notkestr. 85,
D-22607 Hamburg (Germany)
e-mail: alberto.martinez.de.la.ossa@desy.de
plasma.desy.de
