Published March 29, 2016 | Version v1
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Self-modulation experiments of an electron beam for beam-driven plasma wakefield acceleration. Final report

Description

The main goal of the project was the development and setup of an experiment to demonstrate the self-modulation of long electron beams. The following was achieved: - The self-modulation of the PITZ electron beam was simulated with the HiPACE software to support the development process of a plasma cell. It was found that the plasma density should be about 1015 cm3, and that the rms size of the electron beam in the plasma channel must be below 100 μm to give a strong signal produce. - A novel plasma cell with an innovative cross-shaped geometry was developed, manufactured and characterized for use at PITZ. Among other things, this included the measurement of the temperature curve in the cell (the temperature on the axis is higher than 600 °C for about 20 cm - enough for the required plasma channel length of 10 cm) and the lithium vapor density (4×1013 cm3 - this is to be improved). For the first time in the world, it was possible to demonstrate a plasma in a cell with a cross-shaped geometry. - Several preparatory experiments were carried out with the accelerator: The scattering of the electron beam at the windows, which separates the gas atmosphere inside the plasma cell from the vacuum in the accelerator, has been thoroughly investigated. The best candidate was a polymer film with a measured scattering angle below the target of 0.2mrad. All other components of the plasma cell were also characterized. - The plasma cell was integrated into the accelerator, thus conducting initial self-modulation experiments. So far, no signature of self-modulation has been measured, but enough information has been gathered to identify all deficits, so that after upgrading the components in question, a successful experiment is very likely. This will be pursued at its own expense.

Availability note (English)

Available from: Available from TIB Hannover

Abstract (German)

Das Hauptziel des Projektes war die Entwicklung und der Aufbau eines Experiments, um die Selbstmodulation von langen Elektronenstrahlen zu demonstrieren. Hierbei wurde folgendes erreicht: - Die Selbstmodulation des PITZ Elektronenstrahls wurde mit der HiPACE Software simuliert, um den Entwicklungsprozess einer Plasmazelle zu unterstützen. Es wurde festgestellt, dass die Plasmadichte etwa 1015 cm3 betragen sollte, und daß die rms Größe des Elektronenstrahls im Plasmakanal unter 100 μm betragen muss, um ein starkes Signal zu erzeugen. - Eine neuartige Plasmazelle mit einer innovativen kreuzförmigen Geometrie wurde für den Einsatz bei PITZ entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Dies beinhaltete unter anderem die Messung des Temperaturverlaufes in der Zelle (Die Temperatur auf der Achse ist höher als 600°C für etwa 20 cm - genug für die geforderte Plasmakanallänge von 10 cm) und der Lithiumdampfdichte (4 × 1013 cm3 - dies ist zu verbessern). Zum ersten Mal weltweit war es möglich, ein Plasma in einer Zelle mit kreuzförmiger Geometrie zu demonstrieren. - Mehrere vorbereitende Experimente wurden mit dem Beschleuniger durchgeführt: Die Streuung des Elektronenstrahls an den Fenstern, die die Gasatmosphäre im Inneren der Plasmazelle vom Vakuum im Beschleuniger trennt, wurde gründlich untersucht. Dabei wurde als bester Kandidat eine Polymerfolie identifiziert, mit einem gemessenen Streuwinkel, der unter der Zielvorgabe von 0,2mrad liegt. Alle anderen Bestandteile der Plasmazelle wurden ebenfalls charakterisiert. - Die Plasmazelle wurde in den Beschleuniger integriert und damit erste Experimente zur Selbstmodulation durchgeführt. Es wurde bislang keine Signatur der Selbstmodulation gemessen, aber es wurden genug Informationen gesammelt, um alle Defizite zu identifizieren, sodass nach einem Upgrade der fraglichen Komponenten ein erfolgreiches Experiment sehr wahrscheinlich ist. Dies wird auf eigene Kosten weiterverfolgt.

Additional details

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Original title (German)
Experimente zur Selbstmodulation eines Elektronenstrahls für strahlgetriebene Plasma-Wakefield-Beschleunigung. Schlussbericht

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20 p.