Compact High-Temperature Superconducting magnets for Laser-Plasma Accelerator beam capture and transport

Laserplasmabeschleuniger haben das Potential, eine neue Generation kompakter Lichtquellen und Freie-Elektronen-Lasers (FEL) zu ermöglichen. Da die elektrischen Feldgradienten in Plasmabeschleunigern um Größenordnungen größer sind als in Linearbeschleunigern auf der Basis von HF-Resonatoren, sind sie kompakter und potentiell kostengünstiger. Um die Vorteile der neuartigen Beschleunigungstechnologie voll ausschöpfen zu können, sind neuartige kompakte Strahloptiken erforderlich, die große chromatische Effekte beim Strahltransport kompensieren.
Ziel dieser Dissertation ist es, miniaturisierte hochtemperatursupraleitende (HTS) Magnete mit hohen Feld- bzw. ... mehrMultipolstärken für die Laser-Wakefield-beschleuniger Elektronenpakete zu entwerfen, welche am Ende der Transportstrecke die Anforderungen an die Eingangsparameter bestimmter Anwendungen zu erfüllen, insbesondere die einer Transversalgradient-Undulator-Lichtquelle (TGU). Diese Transportlinie umfasst Miniatur-Multiplett/Triplett/Dublett-Quadrupole für den Strahleinfang und kompakte Optiken mit kombinierten Funktionen für die Anpassung und den Strahltransport.
Darüber hinaus kann die Erforschung der Schlüsseltechnologie der Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) für Beschleunigermagnete neue Möglichkeiten zur Anwendung eines Plasmabeschleunigers als Injektor für einen kompakten Speicherring eröffnen.
In dieser Arbeit habe ich mich auf Magnetdesigns für HTS-miniaturisierte Eisen- und spulendominierte Magnete konzentriert. Für eine auf Cos-Theta-Spulen basierende Geometrie und eine auf Eisen basierende periodische Geometrie wurden kompakte, gut kontrollierbare Hochenergie-Transportlinien entwickelt, bei denen die Strahleigenschaften der geometrischen und dynamischen Akzeptanz von beispielsweise dem Transversalgradient-Undulator-Lichtquelle (TGU) entsprechen.
Schließlich wurde für den periodischen Quadrupol auf Eisenbasis ein Prototyp unter Verwendung von HTS ReBCO-Tape optimiert und in enger Zusammenarbeit mit dem KIT-Institut für Technische Physik (ITEP) und dem Technik-Haus gebaut.

Laser-plasma acceleration is a prominent candidate to drive the next-generation compact light sources and free-electron lasers (FELs). Having orders of magnitude larger electrical field gradients than RF cavities-based machines makes plasma accelerators more affordable and compact. To fully exploit the advantages of the novel accelerating technology, novel compact beam optic elements to compensate for large chromatic effects in the beam transport are required.
This thesis aims at exploring the potential of designing miniaturized and high-strength, High-Temperature Superconducting (HTS) magnets and beam optics for the transport of the Laser Wakefield accelerated beams in order to match them to the input parameter requirements of given applications, especially to those of a transverse gradient undulator (TGU) light source. ... mehrThe designed transport lines include miniature multiplet/triplet/doublet quadrupole magnets for beam capture and compact combined-function optics for matching and beam transport.
Moreover, investigating the key technology of high-temperature superconductivity (HTS) in designing accelerator magnets can lead to the future application of a plasma accelerator as an injector for a compact storage ring.
In this thesis, I targeted magnet designs for HTS miniaturized iron and coil-dominated magnets. For a cos-theta coil-based geometry and an iron-based periodic geometry compact, well-controlled, high-energy transport lines have been developed in which the beam properties are matching the geometrical and dynamical acceptance of, e.g., the transverse gradient undulator, TGU.
Finally, for the periodic iron-based quadrupole, a prototype using HTS ReBCO tape has been optimized and built in close collaboration with KIT Institute for Technical Physics (ITEP) and Technik-Haus.