External electron injection into plasma wakefields for the AWAKE Run 2b experiments
Externe injectie van elektronen in plasmagolven voor de AWAKE Run2b‑experimenten
Plasma wakefield acceleratie biedt een veelbelovende route naar compacte deeltjesversnellers door versnellingsgradiënten mogelijk te maken die orders van grootte hoger zijn dan die haalbaar zijn met conventionele radiofrequentietechnologieën. Bij proton-gedreven plasma wakefield acceleratie kunnen lange, zeer energetische protonbundels hoge-amplitude wakefields genereren wanneer ze de zelfmodulatie (SM) instabiliteit doormaken. Reproduceerbare, hoogwaardige electron getuigenbundelversnelling vereist een nauwkeurig begrip en controle van zowel het SM- als het injectieproces.
Dit proefschrift van Nikita Gils presenteert experimentele studies van externe electroninjectie in proton-gedreven plasma wakefields, uitgevoerd bij het Advanced WAkefield Experiment (AWAKE) bij CERN tijdens Run 2b (2023–2025). Het werk richt zich op het begrijpen en mitigeren van de uitdagingen die gepaard gaan met getuigenbundelinjectie, wakefieldstabilisatie en diagnostische beperkingen. Een belangrijk resultaat is de experimentele demonstratie dat een plasmanendensiteitstap de versnellingsgraad verhoogt na verzadiging van SM, waarmee theoretische en numerieke voorspellingen worden bevestigd. Deze metingen vertegenwoordigen een eerste experimentele poging om de versnellingsgradiënten in AWAKE te bepalen.
Significante vooruitgangen zijn geboekt in electronbundeltransport, optiek en bundellijnmodellering, sterk ondersteund door hardware-upgrades van de experimentele opstelling, zoals de implementatie van bundelschermen binnen de dampbron. Dit maakt een nauwkeurige bepaling van de injectieplaats, bundeloverlap met de wakefields en trajectstabiliteit mogelijk. De beperkingen van off-axis injectie worden geïdentificeerd, wat de overgang naar on-axis injectie voor toekomstige operaties motiveert. Bovendien wordt een nieuwe techniek gevalideerd die reproduceerbare SM van fase en amplitude biedt op basis van het afkappen van een electronbundel met een relativistische ionisatiefront, waarmee moeilijkheden worden overwonnen die werden aangetroffen bij de baselinendensiteit van plasma van AWAKE.
De resultaten van dit proefschrift leveren essentiële input voor het ontwerp van AWAKE Run 2c, waarbij SM en versnelling van een getuigenbundel zullen worden gescheiden in twee plasmastadia en hoogwaardige electronbundelversnelling zal worden nagestreefd. In dit verband wordt verstrooiing in rubidiumdamp en het effect daarvan op de kwaliteit van de electronbundel experimenteel en numeriek onderzocht.
Dit werk draagt bij aan het leggen van een solide experimentele basis voor gecontroleerde proton-gedreven plasma wakefield versnelling, evenals aan de verdere ontwikkeling van plasma-gebaseerde versnellers voor toekomstige toepassingen in de hoge-energiefysica.