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Laser ion acceleration from a double-layer metal foil

Lécz, Zsolt :
Laser ion acceleration from a double-layer metal foil.
[Online-Edition]
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laser ion acceleration from a double-layer metal foil
Language: English
Abstract:

The laser-ion acceleration with ultra-intense and ultra-short laser pulses has opened a new field of accelerator physics over the last decade. Fast development in laser systems are capable of delivering short pulses of a duration of a few hundred femtoseconds at intensities between 10^18-10^20 W/cm2. At these high intensities the laser-matter interaction induces strong charge separation, which leads to electric fields exceeding the acceleration gradients of conventional devices by 6 orders of magnitude. The particle dynamics and energy absorption of the laser pulse can be understood by means of high-performance simulation tools. In the framework of the LIGHT (Laser Ion Generation, Handling and Transport) project our goal is to provide an analytical description of the 3D distribution of the protons accelerated via TNSA (Target Normal Sheath Acceleration). In this acceleration mechanism the short pulse impinging on a metal foil heats the electrons to relativistic energies, which triggers the strong charge separation field on the opposite target surface (Debye-sheath). The accelerated light ions (proton, carbon, oxygen) observed in the experiments originate from the contamination layer deposited on the surface. The thickness of this layer in the experiments is not known exactly. According to our study these ions can be accelerated in three different regimes depending on layer thickness: quasi-static acceleration (QSA, for thin layers), plasma expansion (for thick layers) and a not well understood intermediate (or combined) regime. In a laser-plasma simulations time-dependent hot electron density and temperature are observed, therefore we performed plasma simulations with a well defined and constant initial hot electron distribution. Thus the simulation results are easier to compare with analytical models. In our case the theoretical investigation of the TNSA involves the understanding of the charge separation effects at the surface of a two-temperature plasma and the consequent proton acceleration in one dimension. We omit the detailed dynamics of the laser-plasma interaction by assuming a preheated electron distribution. With our 1D electrostatic simulations we investigate the influence of the proton layer thickness on the TNSA energy spectrum. Additionally we investigate the divergence of the protons using 2D simulations: In these we simulate the heating of the electrons by the laser pulse. Numerical studies in this work were carried out using a Particle-in-Cell (PIC) plasma simulation code (VORPAL). The target is defined as a single-ionized plasma with a doublelayer structure: a bulk layer of heavy ions, which represents the metal foil itself and a much thinner proton layer, which serves as the contamination layer. The layer is considered thin if it is thinner compared to the skin depth of the accelerating electric field. For a thin proton layer the quasi-static acceleration is the governing mechanism. When the proton layer is larger than skin depth the process can be described as plasma expansion. I found that the energy and phase-space distribution of the protons strongly depends on the layer thickness. In the QSA regime the proton spectrum shows a nearly monoenergetic feature, but the maximum energy is typically low compared to the plasma expansion regime, where the protons have a broad exponential energy spectrum. For the plasma expansion we observe a cut-off energy that logarithmically depends on the acceleration time. The simulation results in these two extreme cases for one- and two-temperature plasmas have been extensively compared to analytical predictions showing an overall good agreement. In the intermediate regime an analytical expression could be obtained for the energy conversion from electrons to protons as a function of electron parameters and layer thickness. By changing the layer thickness a smooth transition between the two extreme cases could be identified. The proton layer thickness also has an impact on the transversal acceleration, which defines the divergence of a proton beam. In the two-dimensional TNSA simulations a laser pulse is needed to generate the hot electron population in the plasma. The simulations show that theoretically with the right laser pulse duration and layer thickness the divergence of the most energetic protons can be reduced almost to zero. In the QSA regime the transversal distribution and temperature of the hot electrons changes too quickly compared to the time-scale of the acceleration. The analytical treatment of the divergence is only possible for the thick layers, where the plasma expansion model is suitable to describe the physics. The model derived in this work can be used to reconstruct the whole velocity phase-space of the protons in 3D. Therefore it enables us to perform particle tracking and beam optics simulations with realistic TSNA proton bunch. The envelope angle of the protons measured in experiments can be also reproduced using our 2D model. The beam quality during motion through magnetic focusing and energy selection systems downstream of the laser acceleration is sensitive to the initial distribution. After benchmarking our analytic models, simulation results and measurements with each another, we are confident we can now provide sufficiently realistic particle distributions to be expected a few mm from the target in TNSA. Using our particle distributions as input, the effect of co-moving electrons, the degradation of the transverse emittance and chromatic aberration effects can be investigated. Thereby this study hopefully contributes to the goal of the Light project: Coupling the new laser ion acceleration techniques to conventional accelerator facilities.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahren wurde die Laserionenbeschleunigung mit hochintensiven ultrakurzen Laserpulsen zu einer neuen Technik in der Beschleunigerphysik. Die sich zur Zeit schnell weiterentwickelnden Lasersysteme ermöglichen Pulslängen von wenigen hundert Femtosekunden mit Intensitäten von 10^18-10^20 W/cm2. Solch hohe Intensitäten erzeugen bei der Interaktion mit Materie für eine starke Ladungstrennung. Die dadurch erzeugten elektrischen Felder übersteigen die in konventionellen Beschleunigern genutzten um sechs Größenordnungen. Die Teilchendynamik während der Absorption des Laserpulses kann mithilfe von leistungsfähigen Computersimulationen untersucht werden. Ein Ziel des LIGHT Projekts (Laser Ion Generation, Handling and Transport) ist die analytische Beschreibung des sechsdimensionalen Phasenraumes und der dreidimensionalen Dichteverteilung der von durch Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) beschleunigten Protonen. Bei TNSA wird ein kurzer Laserpuls auf eine Metallfolie fokussiert. Dabei erreichen die Elektronen relativistische Energien. Dies wiederum erzeugt ein starkes Ladungsseparationsfeld auf der gegenüberliegenden Targetseite (Debye-sheath). Die dabei beschleunigten leichten Ionen stammen aus einer Kontaminationsschicht auf der Targetoberfläche. Die Dicke der Kontaminationsschicht ist nicht genau bekannt. Unsere Studien zeigen, dass die Ionenbeschleunigung in drei verschiedenen Regimes beschrieben werden kann: Quasistatische Beschleunigung (QSA) für dünne Schichten, Plasmaexpansion für dicke Schichten und ein Zwischenzustand. In Laser Plasma Simulationen werden zeitabhängige Dichten und Temperaturen der heißen Elektronen beobachtet. Wir führen Plasma Simulationen mit einer anfänglich konstanten Verteilung der heißen Elektronen durch, da diese sich leichter mit analytischen Modellen vergleichen lässt. Um TNSA theoretisch behandeln zu können müssen wir die Ladungsseparationseffekte an der Oberfläche eines Zweitemperaturplasmas und die daraus folgende Protonenbeschleunigung beschreiben. Zunächst nehmen wir statt einer Simulation der vollen Laser-Plasma-Wechselwirkung ein bereits geheiztes Plasma als Ausgangspunkt der 1D-Simulation an. Wir untersuchen nun mithilfe elektrostatischer 1D-Simulationen den Einfluss der Protonenschichtdicke auf das Protonenspektrum nach der TNSA. DesWeiteren betrachten wir die Divergenz der beschleunigten Protonen mithilfe von 2D-Simulationen. Die numerischen Studien für diese Arbeit wurden mithilfe des Particle-in-Cell (PIC) Plasmasimulationscodes VORPAL durchgeführt. Dabei wurde das Target als einfach ionisiertes Plasma in zwei Schichten ausgeführt: Die Metallfolie durch eine Schicht schwerer Ionen und die Kontaminationsschicht durch eine dünne Protonenschicht. Im Folgenden sprechen wir von einer dünnen Protonenschicht, wenn ihre Dicke die Skintiefe des beschleunigenden elektrischen Feldes deutlich unterschreitet. Für eine dünne Protonenschicht ist QSA der primäre Beschleunigungsmechanismus. Für eine Dicke Protonenschicht kann die Beschleunigung als Plasmaexpansion beschrieben werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Energie- und Phasenraumverteilung der Protonen stark von der Schichtdicke abhängt. Für QSA ist das Spektrum fast monoenergetisch, dabei ist jedoch die Maximalenergie deutlich niedriger als für die Plasmaexpansion. Für die Plasmaexpansion erhalten wir ein exponentiell abfallendes Energiespektrum, das bei einer logarithmisch von der Beschleunigungszeit abhängenden Maximalenergie begrenzt ist. Die Simulationsergebnisse für diese beiden Extremfälle von Ein- und Zweitemperaturplasmas wurden mit analytischen Vorhersagen verglichen und zeigen gute Übereinstimmung. Für den Zwischenzustand konnte ein Analytischer Ausdruck in Abhängigkeit der Schichtdicke und der Elektronenparameter für die Energieübertragung von Elektronen zu Protonen gefunden werden. Durch die Änderung der Schichtdicke konnte ein reibungsloser Übergang zwischen den beiden Extremfällen identifiziert werden. Auch die transversale Komponente der Beschleunigung und damit die Divergenz des Protonenstrahls wird von der Protonenschichtdicke bestimmt. In der zweidimensionalen TNSA Simulation wird ein Laserpuls benötigt, um die heißen Elektronen im Plasma zu erzeugen. Die Simulationen zeigen, dass durch Wahl der richtigen Laserpulsdauer und Schichtdicke die Divergenz der schnellsten Protonen theoretisch auf nahezu Null reduziert werden kann. Leider kann in der Praxis die Schichtdicke nicht päzise kontrolliert werden. Verglichen mit der Zeitskala der Beschleunigung, ändert sich die Verteilung und Temperatur der heißen Elektronen zu schnell. Die Divergenz kann für dicke Schichten auch analytisch bestimmt werden. Dafür wird der Prozess physikalisch als Plasmaexpansion modelliert. Das hierzu entwickelte Modell kann verwendet werden, um den ganzen 3D-Geschwindigkeitsphasenraum der Protonen zu beschreiben. Es erlaubt so Partikeltracking und Strahloptiksimulationen für einen realistisches TNSA Protonenpaket. Der Enveloppenwinkel von Protonen aus Messungen stimmt mit unserem 2D-Modell überein. Der Transfer des Strahls durch magnetische Fokussierungs- und Energieselektionssysteme hängt empfindlich von der Anfangsverteilung der Teilchen ab. Nachdem wir unsere analytischen- und Simulationsmodelle miteinander und mit Messungen verglichen haben, sind wir zuversichtlich, solche Verteilungen mit hinreichender Genauigkeit liefern zu können. Die von uns gelieferten Teilchendichten können nun zur Untersuchung des Einflusses von mitbewegten Elektronen, der chromatischen Abberation oder des Emittanzwachstums bei der Weiterverarbeitung des Strahls verwendet werden. So hoffen wir, dass unsere Ergebnisse zum Ziel des LIGHT-Projekts beitragen: Neuartige Laserionenbeschleuniger an konventionelle Anlagen anzukoppeln.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Laser, plasma, acceleration, laser-solid interaction, plasma expansion, PIC simulation, plasma modelling
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
Date Deposited: 25 Nov 2013 10:33
Last Modified: 25 Nov 2013 10:33
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3335
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33359
Referees: Boine-Frankenheim, Dr. Prof. Oliver and Roth, Dr. Prof Markus and Küppers , Prof. Dr. Franko and Griepentrog, Dr.-Ing Gerd
Refereed: July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3335
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