Elektrooptischer 3D-Schnappschuss eines durch Laser-Wakefield beschleunigten Kiloampere-Elektronenbündels

Die von T. Tajima und J. Dawson erfundene Laser-Wakefield-Beschleunigung (LWFA) nutzt die Leistung hochintensiver Laserpulse, um Plasmawellen mit Beschleunigungsgradienten anzutreiben, die um Größenordnungen höher sind als bei herkömmlichen HF-basierten Beschleunigern.

Da der Laserimpuls wie eine Kugel behandelt wird, induziert die Ponderomotorik eine periodische Welle im Plasma, ähnlich einem HF-Hohlraum. In dieser Welle gefangene Elektronen können innerhalb eines Zentimeters Energien von GeV erreichen – tausendmal kürzer als bei herkömmlichen Beschleunigern. Die Femtosekunden-Zeitdauer von Elektronenpaketen aus LWFA bietet beispiellose Möglichkeiten für ultraschnelle Studien.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat LWFA bemerkenswerte Fortschritte in Bezug auf maximale Energie, Energieverteilung, Ladung und Wiederholungsrate erzielt.

Mit seinem hohen Beschleunigungsgradienten und der Fähigkeit, Elektronenpakete mit hoher Helligkeit zu erzeugen, birgt LWFA ein enormes Potenzial für Anwendungen in der Hochenergiephysik, Röntgen-Pump-Probe-Untersuchungen und zeitaufgelösten Dosimetrie. Die dreidimensionale (3D) Dichte ist ein entscheidender Parameter, der die Leuchtkraft in einem Collider, die Helligkeit sekundärer Röntgenquellen bzw. die Spitzendosisleistungen der Strahlung beeinflusst.

Insbesondere ein Tisch-Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) ist eng mit dem Laserprozess in einem Undulator verbunden. Aufgrund fehlender diagnostischer Methoden ist eine experimentelle Messung bislang jedoch nicht möglich. Während Quer- oder relative Längsverteilungen separat untersucht wurden, muss das absolute 3D-Dichteprofil noch vollständig charakterisiert werden.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Masaki Kando vom Kansai Institute for Photon Science (KPSI), National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Japan, Prof. Tomonao Hosokai von SANKEN, Universität Osaka, Japan, und Co- Forscher haben einen Durchbruch bei der Einzelschussüberwachung des 3D-Dichteprofils von LWFA-Elektronenpaketen erzielt.

Durch experimentelle und numerische Untersuchungen zur Bildgebung mit optischer Übergangsstrahlung (OTR), zur elektrooptischen (EO) räumlichen Dekodierung und zum genetischen Algorithmus (GA) konnten die detaillierten 3D-Strukturen der ultraschnellen Elektronenpakete von LWFA erfolgreich rekonstruiert und der komplexe Strahl beleuchtet werden Dynamik des Elektronenpakets.

Die Ergebnisse zeigen eine transversale Größe des Elektronenpakets von weniger als 30 Mikrometern, was die bemerkenswerte Auflösung zeigt, die mit der OTR-Bildgebungstechnik erreicht wird. Darüber hinaus wies das Stromprofil eine komplexe Multi-Peak-Form mit einer Sub-10-Femtosekunden-Struktur auf, die einen Spitzenstrom von mehr als 1 Kiloampere (kA) aufwies – ein Beweis für die außergewöhnliche Leistung der Laser-Wakefield-Beschleunigung.

Von besonderer Bedeutung ist die beobachtete maximale 3D-Zahlendichte von ∼ 9 × 1021 m-3, die unschätzbare Einblicke in das beschleunigte Elektronenpaket bietet. Diese Entdeckung zeigte das Potenzial für die Implementierung eines Detektors an jeder Position entlang einer Strahltransportlinie und eröffnete so neue Wege für zukünftige Anwendungen in der Beschleunigerwissenschaft und darüber hinaus.

„Die Möglichkeit, das dreidimensionale Dichteprofil von Elektronenpaketen zu messen, wird unser Verständnis von LWFA verbessern und sein volles Potenzial für verschiedene Anwendungen erschließen“, sagte Dr. Kai Huang, leitender Forscher am QST und Hauptautor der Arbeit.

„Die in diesem Artikel vorgestellten Ergebnisse und Methoden haben weitreichende Auswirkungen auf ein Spektrum von Disziplinen, darunter Beschleunigerphysik, Hochleistungslaser und Terahertz-Optik.“