Conceptual Design of a Laser-Plasma Accelerator Driven Free-Electron Laser Demonstration ...

214 Pages·2015·6.15 MB·English

by  Thorben Seggebrock

Conceptual Design of a
Laser-Plasma Accelerator Driven
Free-Electron Laser
Demonstration Experiment
Thorben Seggebrock
Ludwig-Maximilians-Universität München
2015
Thorben Seggebrock

Conceptual Design of a
Laser-Plasma Accelerator Driven
Free-Electron Laser
Demonstration Experiment
Thorben Seggebrock
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Fakultät für Physik
der Ludwig-Maximilians-Universität München
vorgelegt von
Thorben Seggebrock
aus München
München
2015
Erstgutachter: Prof. Dr. F. Grüner
Zweitgutachter: Prof. Dr. J. Schreiber
Tag der mündlichen Prüfung: 8. Juli 2015
Zusammenfassung
Freie-Elektronen-Laser (FEL) zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung sind bisher Anlagen
mit einer Größe von Hunderten Metern bis hin zu mehreren Kilometern. Aufgrund von
Fortschritten in der Laser-Plasma-Beschleunigung innerhalb der letzten Jahren ist diese
Art von Beschleunigern eine vielversprechende Alternative zum Betreiben einer Synchro-
tronstrahlungsquelle der fünften Generation geworden – eines Freie-Elektronen-Lasers
auf Laborgröße.
Bisherwares,wegenderfürdieseArtvonBeschleunigertypischenbreitenEnergievertei-
lung, nicht möglich, ein Demonstrationsexperiment umzusetzen. Diese Arbeit behandelt
mit analytischen Methoden und Simulationen die wichtigsten Herausforderungen des
Konzeptdesigns für eine erste Demonstration eines Freie-Elektronen-Lasers auf Labor-
größe.
DiebreiteEnergieverteilungderElektronenbeeinträchtigtdieFEL-Leistungdirektdurch
eine Verringerung des Microbunching und indirekt durch einen, vom Fokussiersystem
verursachten, chromatischen Emittanzzuwachs. Beide Effekte können durch eine Dekom-
pressiondesElektronenpulsesineinermagnetischenSchikanereduziertwerden,wobeidie
Elektronen nach Energien sortiert werden. Dies verringert sowohl die lokale Breite der
Energieverteilung, als auch den lokalen chromatischen Emittanzzuwachs und reduziert
Leistungsverluste, die durch die kurze Elektronenpulsdauer verursacht werden. Des Wei-
teren sorgt die energieabhängige Fokusposition für eine Bewegung der Strahltaille durch
den Elektronenpuls, welche mit dem Lichtpuls synchronisiert werden kann und somit zu
einer Erhöhung der Stromdichte im Wechselwirkungsbereich führt. Dieses Konzept wird
als chromatische Fokusanpassung (chromatic focus matching) bezeichnet. Die Vorteile
der longitudinalen Dekompression gegenüber dem alternativen Ansatz der transversalen
Dispersion werden in einem Vergleich aufgezeigt.
Bei Elektronenpulsen, wie sie typischerweise von einem Laser-Plasma-Beschleuniger er-
zeugt werden, tragen kohärente Synchrotronstrahlung und Raumladung gleichermaßen
zum Emittanzzuwachs während der Dekompression bei. Es wird gezeigt, dass daher eine
mittlereSchikanenlängeerforderlichistunddieSchikanesomitnichtsoschwachundlang
wie möglich sein darf um ausschließlich Synchrotronstrahlung zu unterdrücken.
Ferner wird das Zusammenspiel der einzelnen Konzepte und Komponenten mit einer Si-
mulation des vollständigen Systems untersucht und damit die generelle Machbarkeit be-
stätigt.ZusätzlichwerdenToleranzenfüreinerstesDemonstrationsexperimentermittelt,
v
Zusammenfassung
um die Praxistauglichkeit sicherzustellen. Die aufgezeigten Herausforderungen, jenseits
der Breite der Energieverteilung, betreffen vor allem die Stabilität des Beschleunigers
und die Präzision der Elektronenoptik.
vi
Abstract
Up to now, short-wavelength free-electron lasers (FEL) have been systems on the scale of
hundreds of meters up to multiple kilometers. Due to the advancements in laser-plasma
acceleration in the recent years, these accelerators have become a promising candidate
for driving a fifth-generation synchrotron light source – a lab-scale free-electron laser.
Sofar,demonstrationexperimentshavebeenhinderedbythebroadenergyspreadtypical
for this type of accelerator. This thesis addresses the most important challenges of the
conceptual design for a first lab-scale FEL demonstration experiment using analytical
considerations as well as simulations.
The broad energy spread reduces the FEL performance directly by weakening the mi-
crobunching and indirectly via chromatic emittance growth, caused by the focusing sys-
tem. Both issues can be mitigated by decompressing the electron bunch in a magnetic
chicane, resultinginasortingbyenergies. Thisreducesthelocalenergyspreadaswellas
the local chromatic emittance growth and also lowers performance degradations caused
bytheshortbunchlength. Moreover,theenergydependentfocuspositionleadstoafocus
motion within the bunch, which can be synchronized with the radiation pulse, maximiz-
ing the current density in the interaction region. This concept is termed chromatic focus
matching. Acomparisonshowstheadvantagesofthelongitudinaldecompressionconcept
compared to the alternative approach of transverse dispersion.
When using typical laser-plasma based electron bunches, coherent synchrotron radiation
and space-charge contribute in equal measure to the emittance growth during decom-
pression. It is shown that a chicane for this purpose must not be as weak and long as
affordable to reduce coherent synchrotron radiation, but that an intermediate length is
required.
Furthermore, the interplay of the individual concepts and components is assessed in a
start-to-end simulation, confirming the feasibility of the envisioned experiment. More-
over,thesetuptolerancesforafirstdemonstrationexperimentaredetermined,confirming
the general practicability. The revealed challenges, besides the energy spread, especially
concern the source stability and the precision of the beam optics setup.
vii

Contents
Zusammenfassung v
Abstract vii
1 Introduction 1
2 FEL Theory 3
2.1 Electron Motion in the Undulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Spontaneous Undulator Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 High-Gain Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Degrading Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Ming Xie’s Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Concepts for a Laser-Plasma Driven FEL 37
3.1 Laser-Wakefield Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Parameter Choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Decompression Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 TGU Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 FEL Tolerances 73
4.1 Tolerance Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Sensitivities and Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Bunch Decompression 93
5.1 (De)compression in Chicanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2 Energy Spread Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Emittance Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4 Compression vs. Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6 Decompressor Optimization 119
6.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
ix
Contents
6.2 Twiss Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3 Layout Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 Scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7 Electron Optics 139
7.1 Electron Optics Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.2 Error Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.3 Chromatic Focus Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.4 Layout Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8 Start-to-End Simulation 171
8.1 Beam Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.2 Undulator – FEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9 Conclusion and Outlook 187
Bibliography 191
Publications 201
Acknowledgements 203
x