TU Darmstadt / ULB / TUprints

Intensity Effects in Dielectric Laser Accelerator Structures

Egenolf, Thilo (2020):
Intensity Effects in Dielectric Laser Accelerator Structures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014139,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Intensity Effects in Dielectric Laser Accelerator Structures
Language: English
Abstract:

Electron accelerators have a wide range of applications in basic research, medicine and industry. In order to reduce costs and size of future devices and facilities, advanced compact accelerator concepts are subject to extensive research and development efforts in accelerator physics. A promising approach is the dielectric laser accelerator (DLA). The electromagnetic near-fields of an ultra-short laser pulse scattered by a dielectric structure are used to accelerate electrons. Dielectrics increases the achievable accelerating gradient by a factor of at least 10 in comparison to metallic structures. Recent progress in the development of femtosecond lasers and lithographic techniques in semiconductor fabrication has paved the way to experimental demonstration of DLAs in 2013. Possible applications of DLAs are in attosecond science, in ultrafast electron-microscopy and -diffraction, and in providing relativistic electrons for lithography and radiotherapy. The use of near-fields in structures with period lengths in the order of micrometers leads to complicated particle dynamics during acceleration. Theoretical descriptions of the electromagnetic fields and the resulting particle dynamics are presented in this thesis. In order to confine the particles in the accelerating structures, a focusing scheme is introduced which is adapted from ion accelerators. This allows to transport particles through a DLA structure of arbitrary length. Due to non-linear dynamics of the accelerated electrons, the particle trajectories are calculated numerically. A simulation tool based on the analytical description of the electromagnetic fields in the structures is implemented. Since DLA structures are quasiperiodic, the description simplifies to one complex number per structure period, i.e., the spatial harmonic of the synchronous accelerating mode. The required computational effort is thus significantly reduced as compared to the full electromagnetic fields. Many applications of DLAs require particle distributions of high charge. The beam dynamics are additionally affected by wake fields, which are generated by the interaction of the charge distribution ensemble with the dielectric structures. Detailed studies of wake fields in DLA structures are discussed in this thesis. Moreover, first measurements of energy spectrum modulations caused by wake fields are presented. The wake field effects can lead to instabilities. For the analysis of possible instabilities, wake fields are integrated in the aforementioned numerical simulation tool. This extended tool is applied to compare particle dynamics with simplified analytical models of longitudinal and transverse wake effects and instabilities. These studies provide estimates for the maximum attainable charges of an accelerated particle bunch. For higher bunch charges, the effects from the wake fields exceed the accelerating and focusing laser fields and thus lead to beam loss. Finally, a possible damping mechanism is presented in order to counteract the instabilities and increase the bunch charge limits.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Elektronenbeschleuniger haben ein breites Anwendungsspektrum in der Grundlagenforschung, in der Medizin und in der Industrie. Zur Reduktion von Kosten und Größe zukünftiger Anlagen wird intensiv an fortschrittlichen kompakten Beschleunigerkonzepten geforscht. Ein vielversprechendes Konzept ist der dielektrische Laser-Beschleuniger (engl. DLA), auch Glasbeschleuniger genannt. Dabei werden die elektromagnetischen Nahfelder eines Laserpulses an einer dielektrischen Struktur genutzt, um Elektronen zu beschleunigen. Der Einsatz von Dielektrika erhöht den erreichbaren Beschleunigungsgradienten im Vergleich zu metallischen Strukturen um mindestens eine Größenordnung. Erst die Fortschritte in der Entwicklung von Femtosekunden-Lasern und lithografischen Herstellungsverfahren in der Halbleiterindustrie haben die experimentelle Demonstration von DLAs ermöglicht. Allerdings führt die Nutzung der Nahfelder in Strukturen mit Periodenlängen in der Größenordnung weniger Mikrometer zu einer komplizierten Teilchendynamik während der Beschleunigung. Die theoretische Beschreibung der elektromagnetischen Felder und der daraus resultierenden Teilchendynamik wird in dieser Arbeit vorgestellt. Weiterhin wird ein Fokussierungsschema präsentiert, dass den Teilchentransport durch eine DLA Struktur beliebiger Länge ermöglicht. Da die beschleunigten Teilchen eine nichtlineare Dynamik aufweisen, werden die Teilchentrajektorien numerisch bestimmt. Dazu wird ein Simulationstool basierend auf der theoretischen Beschreibung der elektromagnetischen Felder in den Strukturen vorgestellt. Durch die (Quasi-) Periodizität der Strukturen kann auf die Berechnung der vollständigen elektromagnetischen Felder verzichtet werden. Stattdessen wird die Beschreibung auf eine komplexe Zahl pro Strukturperiode – die räumliche Harmonische der synchronen, beschleunigenden Mode – reduziert und der benötigte Rechenaufwand dadurch deutlich verringert. Mögliche Anwendungen für DLAs finden sich in der Attosekundenphysik, in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie und -beugung und zur Bereitstellung relativistischer Elektronen für Lithografie und Strahlentherapie. Für diese Anwendungen werden nicht nur beschleunigte Einzelteilchen, sondern Teilchenverteilungen mit höherer Ladung benötigt. In diesem Fall wird die Strahldynamik zusätzlich durch die Kielwellenfelder der bewegten Ladungen, die durch die Wechselwirkung mit den dielektrischen Strukturen entstehen, beeinflusst. Diese Kielwellenfelder werden in dieser Arbeit untersucht und erstmals Messungen von durch Kielwellenfeldern in DLA Strukturen verursachten Veränderungen des Energiespektrums dargestellt. Des Weiteren können die Effekte verursacht durch die Kielwellenfelder zu Instabilitäten in der Teilchendynamik führen. Zur Analyse möglicher Instabilitäten wird das numerische Simulationstool um die Einflüsse der Kielwellenfelder erweitert. Das erweiterte Simulationstool wird im Rahmen dieser Arbeit zum Vergleich der Teilchendynamik mit vereinfachten analytischen Modellen von longitudinalen und transversalen Kielwelleneffekten und Instabilitäten eingesetzt. Diese Studien ergeben Abschätzungen der maximal erreichbaren Ladungen eines beschleunigten Teilchenpaketes, bevor die Effekte der Kielwellenfelder die beschleunigenden und fokussierenden Laserfelder übersteigen. Abschließend wird in dieser Arbeit ein möglicher Dämpfungsmechanismus präsentiert, der es ermöglichen würde, die Ladungsgrenzen zu erhöhen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 114 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Physics
Date Deposited: 21 Dec 2020 08:38
Last Modified: 21 Dec 2020 15:35
DOI: 10.25534/tuprints-00014139
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-141399
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver ; Podlech, Prof. Dr. Holger
Refereed: 9 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14139
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