Ultraschnelle Untersuchung und Kontrolle der Dynamik von Elektronenpaketen in Synchrotron Lichtquellen

Das ULTRASYNC Projekt zielt auf die Beobachtung, das Verständnis und die Beherrschung von ultra-schnellen, selbst-organisierten relativistischen Elektronenpaketen in Teilchenbeschleunigern. Ein zentrales Ziel ist die Beherrschung der Emission von extrem starken Pulsen kohärenter Synchrotronstrahlung (CSR) als Grundlage für künftige THz-Strahlungsquellen. Ein weiterer wichtiger Meilenstein ist die Entwicklung von neuen Methoden (insbesondere von THz Oszilloskopen mit hoher Datenrate), die nicht nur für ULTRASYNC, sondern für die gesamte Beschleunigergemeinschaft von großem Interesse sind. Das Projekt beinhaltet grundlegende theoretische und experimentelle Untersuchungen an zwei Beschleunigern: SOLEIL (Frankreich), die nationale französische Lichtquelle, und KARA (Deutschland), der Elektronenspeicherring des KIT Synchrotrons. Die Stärke des Konsortiums besteht in seiner optimalen Zusammensetzung: KARA hat als eine der einzigen Einrichtungen weltweit einen Aufbau zur Abtastung des longitudinalen Profils relativistischer Elektronenpakete im Nahfeld, die SOLEIL-PhLAM Kollaboration hat eine führende Rolle im Bereich von ultra-schnellen Messungen mit hoher Wiederholrate inne. Experimentelle und theoretische/numerische Untersuchungen sollen parallel durchgeführt werden mit dem Ziel die komplexe und nichtlineare Dynamik von Elektronenpaketen zu verstehen. Das erworbene Wissen soll verwendet werden, um die CSR Instabilitäten mit den folgenden zwei Strategien zu kontrollieren: (i) bei KARA sollen die Ladungsdichten im Elektronenpaket mit speziellen Modulen zur Manipulation der Impedanz direkt beeinflusst werden (ii) bei SOLEIL wollen wir versuchen Techniken aus dem Gebiet der Chaoskontrolle (Feedback Kontrolle periodischer Orbits) zu nutzen, um eine stabile THz CSR Emission zu erreichen. Das Projekt ist interdisziplinär und nutzt Wissen und Fähigkeiten aus den Gebieten Beschleunigerphysik, nichtlineare Dynamik (in Speicherringen ist die spontane CSR Emission mit dem Auftreten von Instabilitäten verbunden), Chaoskontrolle, Laser und nichtlineare Optik. Dies wird getragen durch die enge Zusammenarbeit von Spezialisten im Bereich Laser, Photonics, nichtlineare Dynamik und Beschleunigerphysik. Teile des Projekts tragen ein hohes Risiko, weil sie wissenschaftliches Neuland betreten, z.B. innovative Detektionstechniken, nicht-destruktive Manipulation von relativistischen Teilchen, sowie den Versuch, dynamische Effekte mit extrem hoher Komplexität zu kontrollieren. Der Risikominimierung dient allerdings das einzigartige und sich ideal ergänzende Know-how des Konsortiums. Dem entgegen steht der mögliche enorme Gewinn für die Synchrotrongemeinschaft (stabiler Betrieb mit hohen THz Leistungen für Nutzer). Das im Projekt erlangte Verständnis und die ultra-schnellen Datennahmetechniken sind für die Beschleunigerphysik im Allgemeinen und darüber hinaus von höchstem Interesse.