Hochintensive, formbare Elektronenstrahlen der 4. Generation und darauf basierende Lichtquellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt zielte ab auf die Erforschung und Demonstration eines neuartigen Mechanismus der Plasmabeschleunigung, der so genannten Plasma-Photokathode oder auch „Trojan Horse“ Plasma Wakefield Acceleration. Zum Zeitpunkt der Antragstellung in 2012 war dies eine Idee, die vom Projektleiter kurz zuvor in Physical Review Letters als theoretisches Konzept vorgestellt wurde. Das Forschungsprojekt wurde an der Universität Hamburg begonnen, wo der Projektleiter im Jahr 2012 eine Juniorprofessur innehatte. Das Forschungsvorhaben und die zugrundeliegende Idee entwickelte schon bald eine erhoffte Dynamik, in deren Zuge eine internationale Kollaboration an weltweit führenden Plasmabeschleuniger SLAC FACET in Stanford in Form des E210 “Trojan Horse“ PWFA unter Leitung des Projektinhabers eingerichtet wurde. Relativ kurz nach Einrichtung der Emmy-Noether-Gruppe an der Universität Hamburg ereilte den Projektinhaber ein Ruf auf eine volle Professur (W3-äquivalent) an die University of Strathclyde in Glasgow, UK. Der Ruf wurde angenommen, jedoch konnte mit den Unis Strathclyde und Hamburg sowie mit der DFG eine Regelung gefunden werden, die die vorübergehende Weiterbetreuung der gerade eingreichteten Hamburger Forschungsgruppe sowie die Weiterführung der begonnenen Kollaborationsprojekte und Experimente im Sinne des maximal produktiven Einsatzes von Forschungsgeldern ermöglichte. Dies funktionierte überaus gut und war auch deswegen in diesem Fall sehr sinnvoll, da parallel an der Universität Hamburg/DESY mit dem FLASHForward-Projekt ein synergistisches Plasmabeschleunigerprojekt entwickelt wird. Vorbereitet durch Experimente an der Universität Hamburg und unterstützt durch zusätzliche Resourcen an der Universität Strathclyde, konnten in der Folge eine Serie von Durchbrüchen erzielt werden, die in den Jahren 2015 und 2016 in der erfolgreichen Realisierung eines der fortgeschrittensten Experimente der Plasmabeschleunigung an SLAC FACET kulminierte. Dieses wegweisende Experiment und die Resultate haben umwälzenden Charakter und zeigen auf, dass die Strahlqualität und Kontrollierbarkeit von Plasmabeschleunigern mit Hilfe des Trojan Horse-Konzeptes um mehrere Größenordnungen verbessert werden kann. Dies hat direkte Auswirkungen für Anwendungen wie etwa die Realisierbarkeit von Lichtquellen wie plasmabasierte Freie-Elektronen-Laser oder für die Hochenergiephysik. Parallel zu experimentellen Arbeiten wurden zusätzliche konzeptuelle Durchbrüche erzielt, die insgesamt die Qualität von plasmabeschleunigten Elektronen nicht nur um mehrere Größenordnungen verbessern, sondern sogar die der besten konventionellen Beschleunigersysteme wie etwa die von harten Röntgenlasern wie etwa dem LCLS deutlich übertreffen. Infolgedessen wird heute das Trojan Horse-Konzept als elementarer Baustein an führenden Beschleunigerlabors wie etwa SLAC FACET-II, FLASHForward, SINBAD, BNL ATF-II, CLARA entwickelt, und ist auch ein wichtiger Bestandteil des H2020 EuPRAXIA-Projekts. Daneben ist aber auch die Realisierung von qualitativ hochwertigen hybriden Plasma-Beschleunigern in Universitätslabors in greifbare Nähe gerückt. Dies ist von besonderem Interesse für die DFG und die deutsche Forschungslandschaft insgesamt, da hierdurch in Zukunft der wissenschaftliche Wert diverser universitätsbasierter Laser-Plasma-Beschleunigersysteme um ein Vielfaches gesteigert werden kann. Hierdurch können diverse Gebiete der Naturwissenschaften, Material- und Lebenswissenschaften in hohem Maße profitieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hybrid modeling of relativistic underdense plasma photocathode injectors. Physical Review Accelerators and Beams, Vol. 16. 2013, Issue 3, 031303.
Y. Xi, B. Hidding, D. Bruhwiler, G. Pretzler, J. B. Rosenzweig
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Ultrahigh Brightness Bunches from Hybrid Plasma Accelerators as Drivers of 5th Generation Light Sources. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 47. 2014, Number 23.
B. Hidding G. G. Manahan, O. Karger, A. Knetsch, G. Wittig, D. A. Jaroszynski, Z.-M. Sheng, Y. Xi, A. Deng, J. B. Rosenzweig, G. Andonian, A. Murokh, G. Pretzler, D. L. Bruhwiler, J. Smith
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Multi-chromatic narrow-energy-spread electron bunches from laser wakefield acceleration with dual color lasers. Physical Review Letters, Vol. 114. 2015, Issue 8, 084801.
Ming Zeng, Min Chen, Lu-Le Yu, Warren B. Mori, Zheng-Ming Sheng, Bernhard Hidding, Dino Jaroszynski, Jie Zhang
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Optical plasma torch electron bunch generation in plasma wakefield accelerators. Physical Review Accelerators and Beams, Vol. 18. 2015, Issue 8, 081304.
G. Wittig, O. Karger, A. Knetsch, Y. Xi, A. Deng, J. B. Rosenzweig, B. Hidding et al.
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Demonstration of passive plasma lensing of a laser wakefield accelerated electron bunch. Physical Review Accelerators and Beams, Vol. 19. 2016, Issue 7, 071301.
S. Kuschel, D. Hollatz, T. Heinemann, O. Karger, B. Hidding et. al.
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Electron beam manipulation, injection and acceleration in plasma wakefield accelerators by optically generated plasma density Spikes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 829. 2016, pp. 83-87.
Georg Wittig, Oliver S. Karger, Alexander Knetsch, Yunfeng Xi, Aihua Deng, Bernhard Hidding et al.
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High quality electron beam acceleration by ionization injection in laser wakefields with mid-infrared dual-color lasers. Physics of Plasmas, Vol. 23. 2016, Issue 6, 063113.
Ming Zeng, Ji Luo, Min Chen, Warren B. Mori, Zheng-Ming Sheng, Bernhard Hidding
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Hot spots and dark current in advanced plasma wakefield accelerators. Physical Review Accelerators and Beams, Vol. 19. 2016, Issue 1, 011303.
G.G. Manahan, A. Deng, O. Karger, Y. Xi, A. Knetsch, M. Litos, G. Wittig, B. Hidding et al.
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Single-stage plasma-based correlated energy spread compensation for ultrahigh 6D brightness electron beams. Nature Communications, Vol. 8. 2017, Article number: 15705.
G.G. Manahan, B. Hidding et al.
