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Electron Beam Dynamics in Dielectric Laser Accelerators

Niedermayer, Uwe (2022):
Electron Beam Dynamics in Dielectric Laser Accelerators. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.26083/tuprints-00022846,
[Habilitation]

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Item Type: Habilitation
Status: Publisher's Version
Title: Electron Beam Dynamics in Dielectric Laser Accelerators
Language: English
Abstract:

Dielectric Laser Acceleration (DLA) is a nascent scheme of electron acceleration, which is particularly promising due to its high acceleration gradients. Although these gradients are lower than what is obtained in plasma-based schemes, they are the highest in structure based schemes, which are limited by material breakdown. DLAs can be implemented on microchips, leveraging on the nano-technology available in the semiconductor industry. This work aims to tackle the electron beam dynamics in DLAs systematically, with the goal to turn the already experimentally demonstrated record gradients into large energy gain. In other words, the goal is to increase the length of the acceleration channels while keeping a full 6D (3 coordinates and 3 momenta) confinement of the electron beam. This is particularly challenging, since DLAs are based on optical near-fields, requiring the transversal size of the channel to be tiny, down to a tenth of the laser wavelength at subrelativistic electron energies. In order to keep the electron beam in this nanophotonic channel, enormous focusing strengths are required. Conventional techniques, usually involving solenoid- or quadrupole magnets, are too weak, since their aperture cannot be de-magnified in the same ratio as the DLA cells are de-magnified compared to conventional radiofrequency (RF) accelerator cavities. The solution to this problem is brought up in this work. It borrows from the Alternating Phase Focusing (APF) scheme as introduced for heavy ion accelerators in the 1950’. APF uses the laser fields themselves to focus the electron beam and thereby enables to omit external focusing devices entirely. While only a small amount of the large available acceleration gradient is sacrificed, full 6D confinement is obtained in length scalable strucures. Thus in principle arbitrary high energy can be obtained provided the required laser parameters are available. This work comprises two parts: A theoretical one introducing the DLA structures and a semi-analytic highly numerically efficient simulation approach named DLAtrack6D. From this approach, the Hamiltonian and the entire dynamics in DLAs is derived. This leads to the recipe to design scalable APF DLA structures, especially suitable for fabrication on Silicon-On-Insulator (SOI) wafers, which are very common in commercial nanophotonics. More conventional structures are also created on the basis of pure silicon technology. These devices are also experimentally investigated in the second part of this work, where simulations and experimental results are matched. The requirements and experimental achievements of subrelativistic DLAs in ultralow-emittance injector chambers are discussed. While low energy DLAs mostly aim at ultrafast (attosecond!) dynamics, high energy DLAs particularly exploit the available high acceleration gradient, in order to provide high energy electrons in small scale facilites. Furthermore DLA devices can also be used as a versatile bunch-shaping tool in large-scale, high-energy conventional accelerator facilities. For that purpose, the beam current limit as being imposed by wakefields due to the structure surfaces that come very close to the beam is investigated. Our semianalytic tracking code DLAtrack6D is supplemented with a wakefield module to assess collective effects and coherent beam instabilities. Moreover, the wakefields of DLAs can also be used in beneficial ways to shape the longitudinal phase space in high energy conventional accelerator facilites. Application goals for DLA are Ultrafast Electron-Microscopy and -Diffraction (UEM/ UED) at boosted energy and on a longer time scale the high acceleration gradients can be exploited for a high energy electron-positron collider for elementary particle physics. High energy ultrashort electron pulses can also be used for radiation generation, potentially in DLA-based microchip undulators. Another imaginable goal would be to accumulate electrons from a continuously running DLA injector in a storage ring. All these applications require a length scalable DLA and stable 6D-confined electron beam dynamics therein.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die dielektrische Laserbeschleunigung (engl. Dielectric Laser Acceleration, DLA) ist ein im Entstehen begriffenes Verfahren der Elektronenbeschleunigung, das aufgrund seiner hohen Beschleunigungsgradienten besonders vielversprechend ist. Diese Gradienten sind zwar geringer als bei plasmabasierten Verfahren, aber die höchsten in strukturbasierten Verfahren, die durch die Durchbruchfeldstärke der Materialien begrenzt sind. DLAs können auf Mikrochips implementiert werden, indem die in der Halbleiterindustrie verfügbare Nanotechnologie genutzt wird. In dieser Arbeit wird die Elektronenstrahldynamik in DLAs systematisch entwickelt, mit dem Ziel, die bereits experimentell nachgewiesenen Rekordgradienten in einen großen Energiegewinn umzuwandeln. Mit anderen Worten, das Ziel ist es, die Länge der Beschleunigungskanäle zu vergrößern und gleichzeitig einen vollständigen 6D-Einschluss (3 Koordinaten und 3 Impulsrichungen) des Elektronenstrahls zu gewährleisten. Dies ist eine besondere Herausforderung, da DLAs auf optischen Nahfeldern basieren und die transversale Größe des Kanals deshalb winzig sein muss, bis hinunter zu einem Zehntel der Laserwellenlänge bei subrelativistischen Elektronenenergien. Um den Elektronenstrahl in diesem nanophotonischen Kanal zu halten, sind enorme Fokussierungskräfte erforderlich. Herkömmliche Techniken, die in der Regel Solenoidoder Quadrupolmagnete verwenden, sind zu schwach, da ihre Apertur nicht in demselben Verhältnis verkleinert werden kann wie die DLA-Zellen verglichen mit konventionellen Radiofrequenz (RF) Beschleunigungskavitäten. Die Lösung für dieses Problem wird in dieser Arbeit vorgestellt. Sie lehnt sich an das Alternating Phase Focusing (APF)- Verfahren an, das in den 1950er Jahren für Schwerionenbeschleuniger entwickelt wurde. In der APF-Technik werden die Laserfelder selbst zur Fokussierung des Elektronenstrahls verwendet, sodass auf externe Fokussierelemente völlig verzichtet werden kann. Während nur ein kleiner Teil des großen verfügbaren Beschleunigungsgradienten geopfert wird, wird der volle 6D-Einschluss in längenskalierbaren Strukturen erreicht; daher können im Prinzip beliebig hohe Energien erzielt werden, sofern die erforderlichen Laserparameter verfügbar sind. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen: Erstens, ein theoretischer Teil, in dem die DLAStrukturen sowie ein semi-analytischer, numerisch hocheffizienter Simulationsansatz namens DLAtrack6D, vorgestellt werden. Aus diesem Ansatz wird die Hamiltonfunktion und die gesamte Dynamik in DLAs abgeleitet. Dies führt zu einem Rezept für den Entwurf skalierbarer APF-DLA-Strukturen, die sich besonders für die Herstellung auf Silicon-On-Insulator (SOI)-Wafern eignen, welche in der kommerziellen Nanophotonik sehr verbreitet sind. Es werden auch konventionellere Strukturen auf der Basis reinen Siliziums diskutiert. Diese neuarigen Beschleuniger-Bauelemente werden im zweiten Teil dieser Arbeit auch experimentell untersucht, wobei Simulationen und experimentelle Ergebnisse abgeglichen werden. Die Anforderungen und experimentellen Ergebnisse von Injektoren mit ultraniedriger Emittanz, die für subrelativistische DLAs erforderlich sind, werden behandelt. Während aktuelle Niederenergie-DLAs vor allem auf ultraschnelle (Attosekunden!) Dynamik abzielen, nutzen Hochenergie-DLAs hauptsächlich den verfügbaren hohen Beschleunigungsgradienten aus, um hochenergetische Elektronen in kleinen Anlagen bereitzustellen. Es wird erörtert, wie ein solcher Hochenergiebeschleuniger aufgebaut werden kann und wie ein DLA-Chip als vielseitiges Werkzeug in großen konventionellen Beschleunigeranlagen zum Einsatz kommen kann. Zu diesem Zweck wird auch die Begrenzung des Strahlstroms untersucht, die durch die Kielfelder der sehr nahen Strukturen verursacht wird. Unser vereinfachtes Tracking-Modell DLAtrack6D wird durch ein Kielfeld-Modul ergänzt, um kollektive Effekte und kohärente Strahlinstabilitäten zu untersuchen. Darüber hinaus können die Kielfelder von DLAs auch vorteilhaft zur Verformung des longitudinalen Phasenraums in konventionellen Hochenergie- Beschleunigeranlagen genutzt werden. Anwendungsziele für DLA sind ultraschnelle Elektronenmikroskopie und -beugung (UEM/UED) bei erhöhter Energie. Auf einem längeren Zeithorizont können die hohen Beschleunigungsgradienten für einen Hochenergie- Elektron-Positron-Collider in der Elementarteilchenphysik genutzt werden. Hochenergetische ultrakurze Elektronenpulse können auch in der Strahlungserzeugung, z. B. in DLA basierten Mikrochip- Undulatoren eingesetzt werden. Ein weiteres denkbares Ziel wäre es, Elektronen aus einem kontinuierlich betriebenen DLA-Injektor in einem Speicherring zu akkumulieren. Alle diese Anwendungen erfordern in der Länge skalierbare DLAs mit einer stabilen 6D-Elektronenstrahldynamik.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VI, 233 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
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
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 15 Nov 2022 11:06
Last Modified: 16 Nov 2022 06:45
DOI: 10.26083/tuprints-00022846
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-228468
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22846
PPN: 501671692
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