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Radiation Pressure Acceleration and Laser Induced Focusing

Schmidt, Peter :
Radiation Pressure Acceleration and Laser Induced Focusing.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Radiation Pressure Acceleration and Laser Induced Focusing
Language: English
Abstract:

Since the mid-80s, the field of laser plasma acceleration is a rapidly advancing field of research. Laser accelerators are laser driven LINACs and stand out due to low costs, compact design and high particle beam intensity. In particular, the radiation pressure acceleration (RPA) turns out to be a promising method for generating high intense heavy and light ion beams. Subject of this work is the investigation of the dynamic processes occurring at the RPA. The transition between different acceleration mechanisms is fluent and the laser and plasma parameters required to achieve a certain mechanism are usually indicated by empirical values. In this work the analytical gap is closed by the derivation of analytic equations for the parameters required to achieve a RPA. For this purpose, the asymptotic limits of the multi-scale problem are investigated. From the short scales limit, an analytical criterion for the lower target thickness is obtained: In contrast to the predictions of prevailing models, no increase of the acceleration is achieved for very thin targets. Instead, the laser pulse passes through the plasma and the acceleration collapses. On large scales, the problem reduced to the equations of classical gas-dynamics. From this model one obtains the required minimum laser intensity to start a RPA. At the same time this limit separates the RPA from other laser-driven acceleration mechanisms. Moreover, this calculation emphasizes the significance of the electron temperature, which has been underestimated in previous work. All analytical work is validated against simulation results. The two-dimensional simulations carried out in this work reveal that the divergence of the emerging plasma has been underestimated previously. This motivates the development of a new transport method for super-critical plasmas, since traditional transport methods, e.g. solenoids, turn out to be unsuitable for intense plasma jets. The unconventional transport method developed in this work uses a counter-propagating laser and therefore requires no bulky components.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Seit Mitte der 80er Jahre hat sich das Feld der Laser-Plasma-Beschleunigung zu einem schnell wachsenden Forschungsgebiet entwickelt. Laserbeschleuniger sind lasergetriebene Linearbeschleuniger und zeichnen sich durch geringe Kosten, kompakte Bauweise und hohe Teilchen-Strahlintensität aus. Dabei hat sich die Strahlendruckbeschleunigung (engl. Radiation Pressure Acceleration, kurz RPA) als eine vielversprechende Methode zur Erzeugung hochintensiver Schwer- und Leichtionenstrahlen herausgestellt. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der dynamischen Prozesse, die bei der RPA ablaufen. Die unterschiedlichen Laser-Beschleunigungsmechanismen gehen fließend ineinander über, die zum Erzielen eines bestimmten Mechanismus notwendigen Laser- und Plasmaparameter werden üblicherweise anhand von Erfahrungswerten angegeben. In dieser Arbeit wird die analytische Lücke geschlossen, indem die zum Erzielen einer RPA notwendigen Parameter in Form von analytische Gleichungen angegeben werden. Zu diesem Zweck werden die asymptotischen Grenzfälle des multi-Skalen-Problems untersucht. Auf kurzen Skalen wird ein analytisches Kriterium für die untere Schranke der Zieldicke (engl. target) ermittelt: Im Gegensatz zu den Vorhersagen vorherrschender Modelle, wird für sehr dünne targets keine stärkere Beschleunigung erreicht. Stattdessen durchdringt der Laserpuls das Plasma und die Beschleunigung bricht zusammen. Auf langen Skalen reduziert sich das Problem auf die Gleichungen der klassischen Gasdynamik. Aus diesem Model wird die zum Eintreten der RPA minimal nötige Laserintensität berechnet. Dieser Grenzwert separiert zugleich die RPA von anderen lasergetriebenen Beschleunigungsmechanismen. Zudem stellt diese Berechnung die Bedeutung der Elektronentemperatur heraus, die in vorhergehenden Arbeiten unterschätzt wurde. Alle analytischen Modelle werden mit Simulationsergebnissen verglichen und überprüft. Die durchgeführten zweidimensionalen Simulationen zeigen, dass die Divergenz des bei der RPA entstehenden Plasmas in vorhergehenden Arbeiten unterschätzt wurde. Dieser Umstand motiviert die Entwicklung eines neuen Transportverfahrens für überkritische Plasmen, da sich magnetische Transportverfahren im Falle intensiver Plasmastrahlen als ungeeignet herausstellen. Das in dieser Arbeit entwickelte Transportverfahren verwendet einen gegenläufigen Laser und benötigt aus diesem Grund keine sperrigen Bauteile.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Laser, Plasma, Physik, Radiation Pressure Acceleration, RPA, Theoretische Physik, Gas-dynamics
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Strahlendruck, Strahlendruckbeschleunigung, GasdynamikGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Accelerator Physics
Date Deposited: 21 Sep 2016 09:33
Last Modified: 21 Sep 2016 09:33
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56659
Referees: Boine-Frankenheim, Dr. Oliver and Ellermeier, Dr. Wolfgang F.
Refereed: 29 August 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5665
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