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Untersuchung relativistischer Laserplasmen mittels nukleardiagnostischer Verfahren

Günther, Marc Maximilian :
Untersuchung relativistischer Laserplasmen mittels nukleardiagnostischer Verfahren.
TU Darmstadt - Institut für Kernphysik
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung relativistischer Laserplasmen mittels nukleardiagnostischer Verfahren
Language: German
Abstract:

Die Wechselwirkung intensiver, gepulster Hochenergielaserstrahlung mit Festkörperproben in einem Bestrahlungsstärkebereich von mehr als 10^18 W/cm^2 bedingt die Erzeugung relativistischer Elektronen mit Energien von mehreren Millionen Elektronenvolt. Durch nichtlineare und relativistische Effekte, wird der maximale Laserbestrahlungsstärkebereich während der Wechselwirkung beeinflusst. Die Folge ist, dass die tatsächliche reale, maximale Bestrahlungsstärke am Ort der Wechselwirkung nicht direkt gemessen werden kann. Der Bereich der maximalen Bestrahlungsstärke und die damit verbundenen Eigenschaften der relativistischen Elektronen sind dabei über Laserabsorptionsprozesse an diesen Bestrahlungsstärkebereich gekoppelt. Die genaue Kenntnis über die Eigenschaften dieses relativistischen Laserplasmabereichs ist von großer Bedeutung hinsichtlich der Bereitstellung, der Optimierung und der Kontrollierbarkeit lasergetriebener Sekundärteilchen- und Photonenstrahlen. Damit verbunden sind wiederum zum Beispiel zahlreiche kernphysikalische Anwendungen, wie die Realisierung und Optimierung gepulster Neutronenquellen und die Optimierung der lasergestützten Herstellung brauchbarer Mengen an kurzlebigen Radionukliden für die nuklearmedizinische Diagnostik sowie Therapie. Des Weiteren ist die Kenntnis über den Bereich der relativistischen Elektronen im Rahmen der Energiegewinnung durch die Trägheitsfusion unter Verwendung des Konzeptes der schnellen Zündung von Interesse. Nicht zuletzt tragen die auf Kernenergie basierenden Kraftwerke, vor allem die konventionellen Kernkraftwerke dazu bei, große Mengen an sogenannten radioaktiven Müll zu produzieren. Dabei handelt es sich überwiegend um aktivierte Materialien, welche aus langlebigen Radionukliden bestehen. Die Nutzung von Hochenergielasersystemen kann unter Umständen dazu beitragen, grundlegende Untersuchungen bezüglich der Kerntransmutationen dieser langlebigen Nuklide in kurzlebige Isotope im Rahmen der kernphysikalischen Materialwissenschaften durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine nukleardiagnostische Methode entwickelt zur Untersuchung des Bereichs der in relativistischen Laser-Plasma-Wechselwirkungen erzeugten hochenergetischen Elektronen. Das Ziel war es darüber hinaus die maximale Bestrahlungsstärke während dieser Wechselwirkung zu bestimmen. Die Arbeit wurde in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt und in Zusammenarbeit mit der Plasmaphysikgruppe des GSI - Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt verfasst. Die Grundlage der entwickelten nuklearen Diagnostik stellt dabei eine auf Photo-Neutron-Desintegrationen basierende Kernaktivierungsmethode dar. Dabei wurden neuartige pseudolegierte Aktivierungsproben eingesetzt, welche als eine Art Kalorimeter für die durch Bremsstrahlungsprozesse der relativistischen Elektronen entstehenden hochenergetischen Photonen fungierten. Die Proben bestehen aus verschiedenen Isotopen mit unterschiedlichen (g,xn)-Reaktionsschwellen. Die entsprechenden aktivierten Nuklide wurden mittels hochauflösender Gammaspektroskopie über ihre Gammastrahlung identifiziert und die Reaktionsausbeute quantitativ detektiert. Mittels einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Analysemethode wurden aus den Gammaspektren die ursprünglichen Bremsstrahlungsspektren rekonstruiert. Mit diesen Informationen wurden darüber hinaus die Eigenschaften der bremsstrahlungerzeugenden Elektronen am Ort der Laser-Plasma-Wechselwirkung bestimmt. Mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten nuklearen Diagnositik wurde zudem die mittlere Bestrahlungsstärke am Ort der Laser-Plasma-Wechselwirkung bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente an drei verschiedenen Lasersystemen durchgeführt. Erste experimentelle Tests wurden am 100 TW Lasersystem des Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intense (LULI) in Frankreich und am Vulcan Lasersystem des Rutherford Appleton Laboratory (RAL) in Großbritannien durchgeführt. Der Hauptteil der Aktivierungsexperimente wurde am PHELIX-System (Petawatt High Energy Laser for heavy Ion EXperiments) des GSI - Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt durchgeführt. Hierbei handelt es sich um die ersten an dem PHELIX-System durchgeführten nuklearen Aktivierungsexperimente. Die während dieser Arbeit mittels der neuartigen nukleardiagnostischen Methode erhaltenen Resultate ermöglichen ein erweitertes Verständnis über den hochenergetischen Bereich lasererzeugter relativistischer Elektronen. Insbesondere zeigte diese auf Kernaktivierungen basierende Methode die Fähigkeit die reale maximale Bestrahlungsstärke während der relativistischen Laser-Plasma-Wechselwirkung zu bestimmen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The interaction of intense high-energy short-pulse lasers with solid targets leads to the production of high-energy electrons with energies of several million of electron volts in the relativistic laser intensity regime of more than 10^18 W/cm^2. The relativistic electron acceleration is caused by the focused laser peak intensity. Due to nonlinear and relativistic effects the peak intensity is affected by the laser-plasma interaction itself. Accordingly, the real peak intensity during the interaction process is unknown and is not directly accessible in the interaction zone. The properties of the relativistic electrons are related to the peak intensity regime via laser absorption processes. The knowledge of the properties of the relativistic laser-plasma regime and, therefore, the associated real laser intensity is of great importance concerning the production, optimization and controlling of laser assisted secondary particle and photon beams. These beams are of interest in nuclear applications, such as the realization and optimization of short-pulsed neutron sources and the production of appropriate quantities of short-lived radio nuclides in terms of diagnostics and therapy in nuclear medicine. Furthermore, the investigation of the dynamic range of relativistic electrons is of great interest in inertial fusion science using the fast ignitor concept in the framework of energy production. Amongst others it is of great importance to solve the problem of nuclear waste produced in conventional nuclear power plants. High-power lasers could be used to basically investigate the transmutation of long-lived isotopes consisted in nuclear waste into short-lived ones in the framework of nuclear material science. The present work explores with the development of a novel nuclear diagnostic method for the investigation of the electron dynamics in relativistic laser-plasma interactions. An additional aim of this work was the determination of the real laser peak intensity via the interaction of an intense laser short-pulse with a solid target. This work was composed at the laser- and plasma physics group at the Technical University of Darmstadt in collaboration with the department of plasma physics at GSI- Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. The nuclear diagnostics is based on a photo-neutron disintegration nuclear activation method. The main constituent of the nuclear diagnostic are novel pseudoalloic activation targets as a kind of calorimeter to measure the high-energy bremsstrahlung produced by relativistic electrons. The targets are composed of several stable isotopes with different (g,xn)-reaction thresholds. The activated nuclides were identified via the characteristic gamma-ray decay spectrum by using high-resolution gamma spectroscopy after the laser irradiation. Via the gamma spectroscopy the (g,xn)-reaction yields were determined. The high-energy bremsstrahlung spectrum has been deconvolved using a novel analysis method based on a modified Penfold-Leiss method. This facilitates the reconstruction of the spectrum of bremsstrahlung photons without any anticipated fit procedures. Furthermore, the characterization of the corresponding bremsstrahlung electrons in the interaction zone is accessible immediately. The consolidated findings about the properties of the relativistic electrons were used to determine the real peak intensity at the laser-plasma interaction zone. In the context of this work, experiments were performed at three different laser facilities. First Experiments were carried out at the 100 TW laser facility at Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intense (LULI) in France and supplementary at the Vulcan laser facility at Rutherford Appleton Laboratory (RAL) in United Kingdom. The main part of the activation experiments were performed at the PHELIX laser facility (Petawatt High Energy Laser for heavy Ion EXperiments) at GSI - Helholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Germany, which were the first nuclear activation experiments at this facility. The results obtained with the novel nuclear diagnostics method have lead to an advanced understanding of high-energy electrons produced in relativistic laser-plasma interactions. Particularly, the capabillity of the nuclear activation-based method to determine the real laser peak intensity at the relativistic laser-plasma interaction zone was demonstrated.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 16 Feb 2011 14:01
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24292
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H.
Refereed: 19 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2429
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