BMBF-Verbundprojekt „E-CUBE“ (HHU/DESY/Uni Jena)

Elektronenstrahlen mit extremer Emittanz – Realisierung des „Trojan Horse“-Injektorkonzepts und Simulation von Beschleunigern mit ultra-kleiner Emittanz

Als Fortsetzung des erfolgreichen Verbundprojekts „Plasma-Photokathode – Elektronenstrahlen höchster Brillanz am FLASH“ in den Jahren 2016-2019 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung für weitere drei Jahre (bis 2022) die Kooperation zwischen der HHU und der Universität Jena gemeinsam mit dem DESY in Hamburg. Dabei soll es weiterhin darum gehen, die von uns theoretisch vorgeschlagene „Trojan Horse Injection“-Methode erstmals experimentell umzusetzen. Hierbei handelt es sich um eine besondere Art der Elektronenbeschleunigung, bei der eine ultra-kleine Emittanz des beschleunigten Elektronenpulses erreicht werden soll.

Das Grundkonzept beruht dabei auf der Plasma Wakefield Acceleration (PFWA). Der zur Verfügung stehende relativistische Elektronenpuls des FLASH-Beschleunigers am DESY ist dafür das perfekte Werkzeug. Dieser Strahl wird in der FLASHForward-Beamline in ein vorionisiertes Plasma fokussiert, wodurch eine mitlaufende Plasmawelle entsteht, das sogenannte "Wakefield". Die elektrischen Felder in dieser Welle sind um viele Größenordnungen höher als sie in aktuellen Beschleunigerkavitäten erreicht werden können. Genau an diesem Punkt setzt das Konzept der „Trojan Horse Injection“ an. Ein Laserpuls wird ins Wakefield fokussiert, um weitere Atome zu ionisieren. Die freigesetzten Elektronen haben präzise definierte Anfangsbedingungen und behalten deshalb ultra-kleine Emittanz, wenn sie im Wakefield beschleunigt werden.

Die Eigenschaften des neuartigen Elektronenpulses stellen dabei bisher genutzte Diagnostiken vor Probleme, da ihr Auflösungsvermögen nicht mehr ausreicht. Ein Teilprojekt beschäftigt sich daher alleine mit neuen Möglichkeiten zur Untersuchung der Emittanz.

Das Teilprojekt in unserer Arbeitsgruppe beschäftigt sich hingegen mit der genauen Kontrolle des Injektions-Lasers und speziell mit den räumlichen und zeitlichen Parametern seines ultra-kleinen Brennpunkts, der als Elektronenquelle durch Ionisation eines Gases dienen soll. Dazu gehört zum einen der optische Aufbau an sich, zum anderen aber auch die genau zeitliche Kontrolle des Laserpulses mit dem treibenden Elektronenpuls des FLASHs – und das auf wenige Femtosekunden genau.

Unterstützt werden dabei alle experimentellen Teilprojekte durch unsere universitätsinterne Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Alexander Pukhov, die die PWFA mit Particle-in-Cell Simulationen theoretisch beschreibt und viele Parameter vorab testen kann.