Theoretical and numerical studies on the transport of transverse beam quality in plasma-based accelerators

In dieser Arbeit werden mit Hilfe von theoretischen und numerischen Methoden Effekte untersucht, die in plasmabasierten Teilchenbeschleunigern die transversale Elektronenstrahlqualität beeinflussen. Die plasmabasierte Teilchenbeschleunigung ist ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Beschleunigertechologien. Dabei werden entweder hochintensive Laserpulse oder relativistische Teilchenstrahlen mit hohen Strömen auf Plasmen fokussiert, um Plasmawellen mit extremen transversalen und longitudinalen Feldern zu treiben. Diese Felder können mit 10-100 GV/m um mehrere Größenordnungen jene übersteigen, die in heutigen Radiofrequenzbeschleunigern erzeugt werden, womit Plasmabeschleuniger prinzipiell entsprechend kürzer und günstiger sein können. Obwohl im letzten Jahrzehnt bemerkenswerte Fortschirtte in der Plasmabeschleunigung erzielt wurden, ist die Strahlqualität noch nicht ausreichend für zentale Anwendungen von relativistischen Elektronenstrahlen, z.B. FELs. Im Zusammenhang mit dieser Arbeit wurde deshalb untersucht wie die Strahlqualität bei der Strahlerzeugung optimiert und während der Beschleunigung und des Transports zum Interaktionsbereich erhalten werden kann. Solche Studien können nicht rein analytisch durchgeführt werden und benötigen numerische Ansätze wie die PIC-Methode, die eine Beschreibung von kinetischen, elektrodynamis- chen und relativistischen Plasmaphänomenen erlaubt. Allerdings sind Simulationen mit dieser Methode zu rechenintensiv um z.B. Parameterstudien in dreidimensionalen Geometrien durchzuführen. Aus diesem Grund wurde in Verbindung mit dieser Arbeit ein quasi-statisches PIC-Simulationsprogramm entwickelt, das eine Klasse von Problemen der Plasmabeschleunigung deutlich effizienter modellieren kann. In dieser Arbeit wird theoretisch und mit den o.g. numerischen Methoden erforscht wie sich die Emittanz von Elektronenstrahlen enwickelt, wenn diese extern in ein Plasmamodul eingekoppelt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Strahlparameter akkurat auf den fokussierenden Kanal im Plasmamodul angepasst sein müssen um die Strahlqualität zu erhalten. Dies erlaubt den Rückschluss auf modular aufgebaute Beschleunigerkonzepte, dass neuartige Extraktions- und Injektionsmethoden notwendig sind, wenn man den Vorteil der kürzeren Beschleunigungsstrecke erhalten will. Solch eine neuartige Extraktionsmethode mit speziell geformten Plasma-Vakuum-Übergängen wurde untersucht, und gezeigt, dass diese nicht nur das Auskoppel