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Strahltransport laserbeschleunigter Ionen

Harres, Knut Jochen :
Strahltransport laserbeschleunigter Ionen.
TU Darmstadt / Institut für Kernphysik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Strahltransport laserbeschleunigter Ionen
Language: German
Abstract:

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit behandelt das Thema der laserbeschleunigten Ionenstrahlen, mit dem Fokus auf dem Transport lasererzeugter Protonen mit einer speziellen Ionenoptik, dem Solenoiden. Durchgeführt wurde die Dissertation in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik des Instituts für Kernphysik an der TU-Darmstadt in Zusammenarbeit mit der Plasmaphysikgruppe des GSI - Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Mit Hilfe des Solenoiden konnten Protonen mit Energien im MeV-Bereich eingefangen und kollimiert werden, um sie für nachfolgende Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Ein Ergebnis der Arbeit war der experimentelle Nachweis, dass sich ein Solenoid als ein erstes Bindeglied zwischen der Laser-Ionenbeschleunigung und einer darauf folgenden Strahlführung mit konventionellen Beschleunigerkomponenten eignet. Untersucht wurden laserbeschleunigte Ionen, die durch die Wechselwirkung eines hochintensiven Laserstrahls mit Materie erzeugt werden. Bei diesem Beschleunigungsprozess, der sogenannten Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), zeigt sich eine sehr große Divergenz der Einhüllenden des Ionenstrahls. Der Öffnungswinkel beträgt bis zu 50°. Die Grundvoraussetzung für eine Nutzbarmachung der laserbeschleunigten Ionen ist folglich die Kontrolle der Strahlpropagation und -aufweitung. Hintergrund für die angestrebte Nutzung der Ionen ist, dass laserbeschleunigte Strahlen bemerkenswerte Strahlparameter wie einen sehr hohen Teilchenfluss und hohe Teilchenenergien aufweisen. Darüber hinaus handelt es sich um sehr laminare Strahlen. Dies macht sie überaus interessant für diverse Anwendungen, z.B. als Diagnostik für transiente Phänomene, in der Trägheitsfusionsforschung und in einer Vielzahl anderer Bereiche. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Experimente zum Strahltransport laserbeschleunigter Ionen durchgeführt. Für das erste Experiment wurde ein Solenoid konstruiert, der speziell auf die Anforderungen zum Einfangen von laserbeschleunigten Protonen ausgelegt war. Die Sicherstellung der mechanischen Stabilität während des Pulsvorganges musste gewährleistet sein. Es wurden hohe magnetische Felder im Bereich bis zu 10 T benötigt, um die Protonen zu kollimieren, d.h. zu parallelisieren. Dazu wurde die Spule des Solenoiden mit Strömen im Kiloampere Bereich bei Spannungen von mehreren Kilovolt gepulst. Bei diesem Vorgang traten hohe mechanische Belastungen des Materials des Solenoiden auf, hervorgerufen durch den entstehenden magnetischen Druck von einigen zehn Megapascal. Der Solenoid wurde erfolgreich zur Strahlkollimierung eingesetzt. Bei einer magnetischen Feldstärke von 8,5 T konnten Teilchenzahlen von bis zu 1012 Protonen bei einer Energie von 2,3 MeV durch den Solenoiden eingefangen und über eine Strecke von insgesamt mehr als 300 mm bis zum Detektor transportiert werden. Damit konnte zum ersten Mal ein solch intensiver, laserbeschleunigter Protonenstrahl über eine längere Strecke erfolgreich geführt werden. Unter Verwendung eines neuen Solenoiddesigns, welches in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Dresden-Rossendorf entwickelt wurde, konnte in einem zweiten Experiment die Energie der kollimierten Protonen massiv erhöht werden. Die optimierte Konstruktion des Solenoiden ermöglichte den Transport von Protonen mit einer Energie von 13 MeV über eine Distanz von mehr als 400 mm, bei einer magnetischen Feldstärke von nur 7,7 T. Weitere interessante Erkenntnisse zeigten sich bei der Untersuchung des Strahltransports der Protonen, verursacht durch die mitfliegenden Elektronen. Diese Teilchen, die ebenfalls bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung beschleunigt wurden und vergleichbare Geschwindigkeiten und Teilchenzahlen wie die Protonen aufweisen, wurden im Solenoidfeld auf die Symmetrieachse der Spule gezwungen. Sie rotierten um die Achse mit einem Gyroradius von einigen zehn Mikrometern. Dadurch verlor der Gesamtstrahl seine Quasi-Neutralität, und es wurde ein hohes Raumladungsfeld durch die Elektronen erzeugt, wodurch es zu einer Protonenaggregation um die Solenoidachse kam. Dies zeigte sich in einer verstärkten Fokussierung des Solenoiden und in auftretenden Modulationen des Protonenstrahls, wie z.B. einer Ringstruktur. Die Existenz des intensiven, stark kollimierten Elektronenstrahls konnte experimentell nachgewiesen und dessen Einfluss auf die Propagation der Protonen durch Computersimulationen bestätigt werden. Zusätzlich zu den Experimenten zum Strahltransport wurden neue Targetgeometrien und deren Auswirkungen auf die Laser-Ionenbeschleunigung untersucht. Dabei wurde ein Effekt entdeckt, der bei der Verwendung hemisphärischer Targets auftrat und zu einer Verstärkung der Ionenbeschleunigung führte. Im Vergleich zu Beschleunigungen von flachen Folien erhöhte sich die maximale Protonenenergie um 18 %. Dieser Effekt konnte durch Computersimulationen erklärt werden. Durch die fokussierende Form des Targets kam es zu einer Aggregation von Elektronen und Protonen innerhalb der Hemisphäre, wodurch sich die Elektronendichte im Bereich der Symmetrieachse der Hemisphäre um das 2,5-fache im Vergleich zur flachen Folie erhöhte. Aus der höheren Dichte folgte ein stärkeres elektrisches Feld, das die Protonen beschleunigte. Die im Laufe dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse ermöglichten ein tieferes Verständnis für die Ionenbeschleunigung mit Lasern und speziell für den Transport der Strahlen durch ein Solenoidfeld. Es wurde gezeigt, dass der Solenoid die Voraussetzungen für eine strahlkollimierende Ionenoptik erfüllt, um laserbeschleunigte Ionen für weitere Anwendungen nutzen zu können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present scientific thesis deals with the subject of laser-accelerated ion beams, more particularly with the transport of these ions by a solenoid magnetic field. The work was carried out at the laser- and plasma physics group of the institute for nuclear physics at the Technical University of Darmstadt in collaboration with the plasma physics group of GSI - Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. It was demonstrated that with the help of a pulsed high field solenoid, protons in the MeV energy range could be captured and collimated to use them for further applications. One outcome of this work was the experimentell verification that a solenoid can be a valid option as a first interface between laser ion acceleration and conventional accelerator structures. In the framework of this thesis, investigations on laser-accelerated ion beams were done. These particles were accelerated by the interaction of an intense laser beam with a solid target. The acceleration process is called Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). The ion beams show a characteristic high envelope divergence with full opening angles up to 50° . Therefore, it is essential to control the beam propagation and expansion to use them for further applications. The motivation for utilizing laser-accelerated ions is based on their attractive beam properties like high beam fluxes and energies. Additionally, the beams show a very laminar expansion. Hence, laser-accelerated ions have attracted a lot of attention to use them for different applications, e.g. as a diagnostic tool for transient phenomena or in the field of inertial confinement fusion. Two experiments were performed to transport and focus laser-accelerated ions by a solenoid field. A solenoid with a new design was constructed that fit the special specifications for a collimation of a high energy proton beam. Amongst others, this required a strong resistance to mechanical stress which occurred during the pulsing of the solenoid’s coil. To realize magnetic field strengths in the region of 10 T the currents and voltages applied to the coil reached several kiloamperes and kilovolts, respectively. This led to a magnetic pressure inside the solenoid of a few tens of megapascal. The solenoid was successfully implemented in an experiment to collimate and focus laser-accelerated protons. Protons with particle numbers beyond 1012 at an energy of 2.3 MeV were captured and transported by the solenoid’s field over a total distance of more than 300 mm to the detector. The magnetic field strength was 8.5 T. This was the first time that a high flux laser-accelerated proton beam could be successfully transported over a longer distance. The use of a second solenoid design, developed in a collaborative work with the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, could strongly increase the energy of the collimated proton beam in a second experimental campaign. The optimized design led to a transport of protons with an energy of 13 MeV over a distance of more than 400 mm at an magnetic field of only 7.7 T. Additional observations were done by investigations on the proton beam transport through the solenoid field. An interesting effect occurred due to the co-moving electrons. These electrons are accelerated by the laser plasma interaction as well and propagate at the same velocities as the protons. Their particle numbers match the ones of the protons. The electrons were forced down to the axis of the coil by the strong magnetic field and circulate around it at their gyro radius of only a few tens micron. This yielded a strong space charge field that caused a proton aggregation around the solenoid’s axis. In the experiment, this effect resulted in a strongerfocusing of the solenoid and translated into spatial beam modulations of the protons as well. The existence of the intense and highly collimated electron beam could be experimentally proven and its influence on the proton propagation was confirmed by numerical simulations. Besides the main experiments on the transport of laser-accelerated ions, novel target designs and their impact on the laser ion acceleration process were studied. The use of hemispherical targets led to an enhanced ion acceleration that resulted in higher proton energies. In comparison to an acceleration from a flat foil the maximum proton energy was increased by 18 %. This effect could be explained by particle-in-cell simulations. The curvature of the target effected an aggregation of electrons and protons inside the hemisphere. This caused an increase of the electron density around the symmetry axis of the target by a factor of 2.5. The higher density is equivalent to a stronger electric field that was the driving force of an enhanced proton acceleration process. The results achieved in this thesis gave a better insight in the field of laser ion acceleration and especially of the beam transport of laser accelerated protons by a solenoid field. It was experimentally shown that the solenoid can be used as a focusing ion-optic to control laser-accelerated ion beams.English
Uncontrolled Keywords: Laser-Ionenbeschleunigung
Alternative keywords:
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Laser-IonenbeschleunigungUNSPECIFIED
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 17 Aug 2010 09:33
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22597
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H.
Refereed: 14 July 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2259
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