Laser-Wakefield-Beschleunigung am JETI-Einfluss der ...

1. Einleitung
Relativistische Elektronenpakete finden Anwendung in vielen Bereichen der Grundlagenforschung.
Mit Energien von einigen GeV werden sie genutzt, um in Undulatoren oder
Freie-Elektronen-Lasern kurzwellige Strahlung zu erzeugen, im Energiebereich von einigen
10 GeV finden sie in Experimenten der Elementarteilchenphysik Anwendung. Durch
die Limitierung des Beschleunigungsgradienten in konventionellen Beschleunigern auf
wenige 10 MV/m sind lange Beschleunigungsstrecken nötig, um Elektronenenergien in
diesen Bereichen zu erreichen.
Der von Tajima und Dawson erstmals vorgeschlagene Laser-Wakefield-Beschleuniger 1
bietet eine Alternative zu konventionellen Beschleunigern. Durch hochintensive Laserpulse
aus Lasersystemen, die auf dem Prinzip der Chirped Pulse Amplification 2 beruhen,
wird dabei eine Plasmawelle angeregt. Bricht diese Welle, werden Elektronen in deren Felder
injiziert und darin beschleunigt. Beschleunigungsgradienten von einigen 100 GV/m,
die im Plasma erreicht werden, ermöglichen kurze Beschleunigungsstrecken von wenigen
Zentimetern und dadurch den Bau von kompakten Beschleunigern. Die Elektronenpakete
haben bedingt durch den Beschleunigungsprozess eine Länge von wenigen µm, was
zeitlich einigen Femtosekunden entspricht. 3 Nutzt man diese Elektronen, um zum Beispiel
in Freie-Elektronen-Lasern Sekundärstrahlung zu erzeugen, erreicht auch diese eine
vergleichbare Pulsdauer 4 und eignet sich daher sehr gut für Experimente, die eine Zeitauflösung
in diesem Bereich erfordern.
Im Jahr 2004 gelang es, quasimonoenergetische Elektronenpakete mit Energien im Bereich
von 100 MeV in einem Laser-Wakefield-Beschleuniger zu erzeugen. 5–7 Mit gezielter
Verlängerung der Beschleunigungsstrecke wurden inzwischen Energien von 1 GeV erreicht.
8 Die Energie- und Richtungsstabilität der Laser-Wakefield-Beschleuniger ist aber
zur Zeit nicht vergleichbar mit der konventioneller Beschleuniger. Um deren Qualität in
diesen Punkten zu verbessern und damit den hohen Anforderungen in den Anwendungen
zu entsprechen, ist ein detailliertes Verständnis des Beschleunigungsprozesses und die
Optimierung der entsprechenden Parameter im Experiment nötig.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Eigenschaften des Laserpulses auf
den Beschleunigungsprozess. Über eine Veränderung der Justage des Lasersystems wird
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