TU Darmstadt / ULB / tuprints

Laser-Accelerated Proton Beams as a New Particle Source

Nürnberg, Frank :
Laser-Accelerated Proton Beams as a New Particle Source.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

[img]
Preview
Dissertation Frank Nürnberg - PDF
nuernberg_PhD.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (11Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laser-Accelerated Proton Beams as a New Particle Source
Language: English
Abstract:

The framework of this thesis is the investigation of the generation of proton beams using high-intensity laser pulses. Today's high power, ultrashort pulse laser systems are capable of achieving laser intensities up to 10^21 W/cm^2. When focused onto thin foil targets, extremely high field gradients of the order of TV/m are produced on the rear side of the target resulting in the acceleration of protons to multi-MeV energies with an exponential spectrum including up to 10^13 particles. This acceleration process, called Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), generates high-current proton beams with characteristics that are superior to properties from conventional proton sources. In this work, an experimental method to fully reconstruct laser-accelerated proton beam parameters, called radiochromic film imaging spectroscopy (RIS), was developed. RIS allows for the characterization of proton beams concerning real and virtual source size, envelope- and microdivergence, normalized transverse emittance, phase space, and proton spectrum. Therefore, thin gold foils with a microgrooved rear side were manufactured and characterized. Calibrated GafChromic radiochromic films in stack configuration were used as spatial and energy resolved proton detector. The target rear side structure is transported by the beam, mapped into the detector and retains information about the beam. Since the proton beam expansion is a plasma expansion with accompanying electrons, a low-energy electron spectrometer was developed, built and tested to study the electron distribution matching to the proton beam energy distribution. Electrons in high-current proton beams have significant influence on beam neutralisation and space-charge effects. First experimental results show, that the observed electron spectrum is apparently not of the expected exponential shape, but more a peaked distribution around an avergage energy. Hence, it is not coupled to the proton spectrum, which argues for an adiabatic expansion of the electrons around the proton beam instead of co-moving electrons (v_e = v_p) with an exponential energy distribution. Two experiments were carried out at the VULCAN Petawatt laser with the aim of showing dynamic control and enhancement of proton acceleration using multiple or defocused laser pulses. Irradiating the target with a long pulse, low-intensity laser (10^12 W/cm^2) prior to the main pulse (ns), an optimum pre-plasma density scale length of 60 micrometer is generated leading to an enhancement of the maximum proton energy (25%), the proton flux (factor of 3) and the beam uniformity. The experimental results of the second campaign on defocusing of high-intensity laser pulses onto the target show significant improvements in proton flux. Proton beams were generated more efficiently than previously by driving thinner target foils at a lower intensity over a large area. The optimum condition was a 2 micrometer foil irradiated with an intensity of 10^19 W/cm^2 onto a 60 micrometer spot. Laser to proton beam efficiencies of 7.8% have been achieved (2.2% before) -- one of the highest conversion efficiencies ever achieved. RIS has contributed significantly to the understanding of the beam optimisation process and the proton parameters. In the frame of this work, two separate experiments at the TRIDENT laser system have shown that these laser-accelerated proton beams, with their high number of particles in a short pulse duration, are well-suited for creating isochorically heated matter in extreme conditions. Besides the manipulation of the proton beam parameters directly during the generation, the primary aim of this thesis was the capture, control and transport of laser-accelerated proton beams by a solenoidal magnetic field lense for further purpose. In a joint project proposal, the laser and plasma physics group of the Technische Universität Darmstadt initiated the development of a test stand to transport, focus and bunch rotate these beams by conventional ion optics and RF technology. In collaboration with the accelerator department of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, a possible injection into a post-acceleration unit will be studied. Subordinated to this project, an experimental campaign to capture laser-accelerated proton beams was carried out at the PHELIX system. Compared to previous experiments, a significant increase in proton transmission through the solenoid could be achieved by maintaining the beam quality. The field strength of 7.5 T enabled collimation of protons with an energy of >10 MeV for the first time. In addition, the focusing capability of the solenoid provided a flux increase in the focal spot of about a factor of 174 at a distance of 40 cm from the source, compared to a beam without using the magnetic field. For a quantitative analysis of the experiment numerical simulations with the WarpRZ code were performed. The code, which was originally developed to study high current ion beams and aid in the pursuit of heavy-ion driven inertial confinement fusion, was modified to enable the use of laser-accelerated proton beams as particle source. The calculated energy-resolved beam parameters of RIS could be included, and the plasma simulation criteria were studied in detail. The geometrical boundaries of the experimental setup were used in the simulations. The results from the virtual simulated film stack show a remarkable agreement with the observed proton signals in the film stack of the experiment. The importance of the space-charge effects of the electrons (included as second particle species) could be pointed out showing a significant influence on the results. 2.99exp+9 collimated protons in the energy range of 13.5+-1 MeV (Delta E/E = 7%) could be transported over a distance of 40 cm. In addition, 8.42exp+9 protons in the energy range of 6.7+-0.2 MeV (Delta E/E = 3%) were focused into a spot of <2 mm in diameter. The transmission through the solenoid for both cases was about 18%. The experiments and simulations carried out in the scope of this work are the basis for the realization of the test stand for coupling laser-accelerated proton beams into conventional accelerators structures. Furthermore, the code development enables future parameter studies prior to experimentation to optimize the output for additional applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Erzeugung von Protonenstrahlen durch Hochintensitätslaser. Aktuelle Hochleistungslaser können sehr kurze Laserpulse mit Intensitäten bis zu 10^21 W/cm^2 erzeugen. Wenn diese auf dünne Metallfolien fokussiert werden, bilden sich auf der Folienrückseite Feldgradienten in der Größenordnung von TV/m aus, die eine Beschleunigung von Protonen bis zu mehreren MeV ermöglichen. Die Strahlen weisen ein exponentielles Spektrum mit bis zu 10^13 Teilchen auf. Dieser Prozess der sogenannten Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) beschleunigt Protonenstrahlen, die in manchen Strahleigenschaften konventionelle Protonenquellen übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Messtechnik entwickelt, die es ermöglicht, mit Hilfe von Strahlabbildungen in radiochromischen Filmen (radiochromic film imaging spectroscopy -- RIS) den gesamten laserbeschleunigten Protonenstrahl zu rekonstruieren. RIS charakterisiert den Protonenstrahl in Bezug auf reale und virtuelle Quellgröße, Öffnungswinkel und Mikro-Divergenz, normalisierte transversale Emittanz, Phasenraum und Energieverteilung. Hierfür wurden besondere Goldfolien mit einer rückseitigen, Mikrometer großen Linienstruktur hergestellt. Als hochauflösenden Protonendetektor wurden kalibrierte GafChromic radiochromische Dosimetriefilme in Stapelanordnung verwendet, die eine räumliche und spektrale Auflösung ermöglichen. Da die Expansion des Protonenstrahls einer Plasmaexpansion mit begleitenden Elektronen entspricht, wurde eine Elektronenspektrometer entwickelt, gebaut und getestet, um den niederenergetischen Teil des Elektronenspektrums zu vermessen, der mit dem Energiebereich des Protonenstrahls assoziiert wird. In positiv geladenen Teilchenstrahlen mit hoher Teilchendichte tragen Elektronen wesentlich zur Ladungsneutralisation bei und minimieren Raumladungseffekte. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen ein Elektronenspektrum, das nicht die erwartete exponentielle Form aufweist, sondern eine spitze Verteilung um eine mittlere Energie. Es ist nicht an die Protonenverteilung gekoppelt, was demnach eher einer adiabatischen Expansion der Elektronen um den Protonenstrahl entspricht und nicht einer erwarteten Expansion von mitfliegenden Elektronen (v_e = v_p) mit exponentieller Energieverteilung. Am VULCAN Petawatt Lasersystem wurden zwei Experimente durchgeführt, deren Ziel die dynamisch Kontrolle und Verbesserung der Protonenbeschleunigung durch Benutzung von mehreren Laserpulsen und defokussiertem Laserlicht war. Mit einem langen Laserpuls niedriger Intensität (10^12 W/cm^2) wurde auf der Folienvorderseite vor dem Erreichen des Hauptpulses (ns) ein Vorplasma erzeugt. Bei einer optimalen Vorplasma-Skalenlänge von 60 Mikrometer konnte eine Erhöhung der maximalen Protonenenergie (bis zu 25%) und des Protonenflusses (Faktor 3), sowie eine Verbesserung des Strahlprofils beobachtet werden. Die Ergebnisse der zweiten Kampagne führten auch zu einer signifikanten Erhöhung des Protonenflusses. Hier wurde der intensive Laserpuls auf die Folienvorderseite defokussiert. Laserpulse mit niedriger Intensität und einem größeren Fokus in Kombination mit dünneren Targetfolien ermöglicht eine effizientere Erzeugung von Protonenstrahlen wie bei Verwendung von Standardparametern. Ein Optimum wurde erreicht für Foliendicken von 2 Mikrometer, einer Intensität von 10^19 W/cm^2 und einem Fokusdurchmesser von 60 Mikrometer. Im Experiment konnten Laser- zu Protonenenergie Konversionseffizienzen von bis zu 7.8% gemessen werden (vorher 2.2%), die den bis jetzt am höchsten gemessenen Werten entsprechen. Desweiteren führte RIS zu einem tieferen Verständnis des Optimierungsprozesses und der gemessenen Protonenparametern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden am TRIDENT Lasersystem zwei weitere Experimente durchgeführt, in denen gezeigt werden konnte, dass diese Protonenstrahlen mit ihren hohen Teilchenzahlen und kurzen Pulsdauern für die Erzeugung von isochor-geheizten, extremen Materiezuständen sehr gut geeignet sind. Neben der direkten Manipulation von Protonenstrahlparametern während der eigentlichen Erzeugung lag das Hauptaugenmerk dieser Arbeit auf dem Einfangen, der Kontrolle und dem Transport von laserbeschleunigten Protonenstrahlen mit Hilfe eines Solenoiden. Die Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik der Technischen Universität Darmstadt hat die Entwicklung eines Teststands zum Transport, zur Fokussierung und zur Phasenrotation dieser Strahlen mit konventionellen Ionenoptiken und RF Technologien angestoßen. In Zusammenarbeit mit der Beschleunigerabteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung wird die mögliche Injektion in einen Nachbeschleuniger untersucht. Diesem Projekt untergeordnet wurde am PHELIX System ein Experiment zum Einfang laserbeschleunigter Protonenstrahlen durchgeführt. Im Vergleich zu früheren Experimenten mit permanenten Quadupolen konnte eine deutliche Verbesserung der Protonentransmission durch den Solenoiden ohne Verlust der Strahlqualität erzielt werden. Mit einer Feldstärke von 7.5 T konnte erstmals ein Protonenstrahl bei einer Energie > 10 MeV kollimiert werden. Zusätzlich wurde im Fokussiermodus bei einem Abstand von 40 cm von der Quelle eine Protonenflusserhöhung von bis zu einem Faktor von 174 erreicht im Vergleich zu einem Strahl ohne Benutzung des Magnetfeldes. Für eine quantitative Analyse des Experiments wurden numerische Simulationen mit dem WarpRZ Code durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Code, der eigentlich für Studien von Ionenstrahlen hoher Teilchendichten und zur Forschung auf dem Gebiet der Schwerionen getriebenen Trägheitsfusion verwendet wird, modifiziert werden, so dass nun laserbeschleunigte Protonen als Teilchenquelle eingebunden werden können. Zusätzlich werden alle energieabhängigen Strahlparameter miteinbezogen, die mit RIS experimentell bestimmt wurden. Die Kriterien, die im Rahmen von Plasmaphysik Simulationen berücksichtigt werden müssen, wurden im Detail untersucht, und eine exakte Kopie des Experimentaufbaus beschreibt im Code die geometrischen Randbedingungen. Bei Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen zeigt sich eine sehr genaue übereinstimmung mit dem simulierten Filmstapel. Die Raumladungseffekte der eingebundenen Elektronen konnten klar herausgearbeitet werden und haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Protonenstrahlpropagation. 2.99exp+9 kollimierte Protonen in einem Energiebereich von 13.5+-1 MeV (Delta E/E = 7%) konnten mit diesem Aufbau über eine Strecke von 40 cm transportiert werden. Desweiteren wurden 8.42exp+9 Protonen in einem Energiebereich von 6.7+-0.2 MeV (Delta E/E = 3%) auf einen Fleck mit einem Durchmesser von <2 mm fokussiert. Die erzielte Transmission durch den Solenoiden beträgt für beide Fälle 18%. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente und Simulationen sind die Basis für die Realisierung des Teststand Projektes zur Einkopplung laserbeschleunigter Protonenstrahlen in konventionelle Beschleunigerstrukturen. Darüber hinaus ermöglicht der entwickelte Simulationscode zukünftige Parameterstudien bevor ein Experiment durchgeführt wird, um somit die Strahlparameter für weitere Anwendung direkt anpassen zu können.German
Uncontrolled Keywords: Plasmaphysik, Laser-Plasma Wechselwirkung, Ionenquelle, Kurzpulslaser, Laser-Ionenbeschleunigung, laserbeschleunigte Protonenstrahlen, Beschleunigerphysik, Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, radiochromic Film, RCF, Particle-In-Cell Simulation, PIC, Warp, Solenoid
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Plasmaphysik, Laser-Plasma Wechselwirkung, Ionenquelle, Kurzpulslaser, Laser-Ionenbeschleunigung, laserbeschleunigte Protonenstrahlen, Beschleunigerphysik, Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, radiochromic Film, RCF, Particle-In-Cell Simulation, PIC, Warp, SolenoidGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 26 Nov 2010 11:28
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23393
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H.
Refereed: 15 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2339
Export:

Actions (login required)

View Item View Item