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Optimization and control of laser-accelerated proton beams

Schollmeier, Marius S. (2009)
Optimization and control of laser-accelerated proton beams.
Technische Universität
Ph.D. Thesis, Primary publication

Dissertation M. Schollmeier - PDF
Copyright Information: CC BY-NC-ND 2.5 Generic - Creative Commons, Attribution, NonCommercial, NoDerivs .

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Optimization and control of laser-accelerated proton beams
Language: English
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus ; Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Date: 5 January 2009
Place of Publication: Darmstadt
Date of oral examination: 1 December 2008

The irradiation of micrometer-thin metal foils by modern high-energy short-pulse lasers with intensities above 10^18 W/cm2 leads to, amongst other things, the acceleration of ion beams with energies in the range of mega-electron-volts (MeV). Initially, the laser pulse accelerates electrons to relativistic energies, which then propagate through the foil. As soon as the electrons leave the foil’s rear side, an electric field with a field strength of about 10^12 V/m is generated. This effectively accelerates adsorbed protons from the foil surface in direction of the target normal. The quasi-neutral beams generated in such a manner consist of more than 1012 protons in a short, pico-second duration pulse. Possible applications are the diagnostics of dense plasmas, the utilization as compact injectors for particle accelerators, the energy generation by fast ignition in inertial fusion energy, as well as a potential utilization in cancer therapy with ion beams. Laser-accelerated ion beams exhibit some beam properties that are superior to ion beam properties from conventional ion sources. This motivates their application as a next generation ion source. Until today, though, there is no complete model for the laser ion-acceleration that can be used for estimates of all beam parameters. However, the development of applications requires an accurate knowledge of the space and momentum distribution (phase space) of the ions, as well as the best-possible modeling of the acceleration process. Therefore the measurement technique of “Radiochromic film Imaging Spectroscopy (RIS)” has been developed. The dosimetry films needed for RIS have been absolutely calibrated for protons at the tandem accelerator at the Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, Germany. Furthermore, RIS uses the method of ion beam manipulation by micrometer-sized deformation of the foil surface. The modulations of the foil’s rear side are transferred in the ion beam and are imaged into a stack of radiochromic films. A technique has been developed to insert equidistant, micrometer-sized grooves (distance either 3, 5 or 10 micrometer) on the surface of thin foils with thicknesses from 5 to 50 micrometers. This is done by ultra-high precision-chipping of a carrier material, followed by electro-plated deposition of the foil and subsequent etching of the carrier material. The micro-structured foils have been successfully used in experiments at the Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion eXperiments (PHELIX) at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (Darmstadt, Germany in March 2006), in two experimental campaigns at the TRIDENT laser at Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA, May 2005 and April 2006), at the 100 TW laser at the Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (École Polytechnique, Palaiseau, France, June 2006) and at the Z -Petawatt laser at Sandia National Laboratories (New Mexico, USA, December 2007). The data analysis not only confirms the findings obtained in earlier experiments, but additionally leads to conclusions about the electric fields driving the acceleration. The results obtained with RIS have been considered in the development of the Charged Particle Transfer (CPT) code, that can be used for a three-dimensional simulation of the ion-acceleration from the rear side of the foil. CPT can fully reproduce the measured data. The underlying model in CPT has been confirmed by analytical examinations, computer simulations of a one-dimensional fluid expansion with charge separation and two-dimensional, relativistic Particle-In-Cell (PIC) simulations. In addition, experiments on the action of a shaped laser beam profile at the target front side on the ion acceleration from the foil’s rear side have been performed at the above-mentioned laser systems. It could be shown, that an elliptically shaped laser focus results in an elliptically shaped proton beam. Moreover, the laser beam profile impression becomes weaker with increasing target foil thickness. The simultaneous measurement of the proton beam source size by the use of the micro-structured foils lead to the conclusion that the electron transport in50 micrometer thick foils is basically determined by small-angle scattering but is negligible for 13 micrometer thin foils. For the interpretation and reproduction of the experimental results the Sheath-Accelerated Beam Ray-tracing for IoN Analysis code (SABRINA) has been developed. This code calculates the intensity profile of the proton beam for a given laser beam profile, under consideration of small-angle scattering. The observed, unexpectedly large emission zone at thin foils is most likely the result of re-circulating electrons in the target foil. Experiments with different target geometries have been performed for a further optimization of laser-accelerated proton beams. The RIS-data analysis from experiments with novel, cone-shaped targets with a flat rear side at TRIDENT with moderate intensities of 1019 W/cm2 with 20 J in 600 fs showed a nearly two-fold increase of the maximum energy of the accelerated proton beams, a four-fold better conversion efficiency of laser energy to ion beam energy as well as a 13-fold higher ion number above 10 MeV compared to data from flat foils. The interpretation of measurements of the energy-dependent source size and divergence and PIC simulations evidence a bell-shaped electron sheath at the foil’s rear side as the originator of the divergence of laser-accelerated ion beams. The divergence could be compensated by geometrical deformation of the target foil. First experiments on the collimation of laser-accelerated proton beams have been obtained at Z -Petawatt. The injection of laser-accelerated ion beams in conventional accelerator structures requires a separation of the co-propagating electrons and protons. This can happen by a dipole magnet, as could be shown in experiments at Z -Petawatt. During the same experimental campaign the first controlled transport and focusing of laser-accelerated MeV-protons could be demonstrated. For that purpose miniature quadrupole-lenses, based on permanent magnets with field gradients up to 500 T/m have been utilized. 106 protons with an energy of 14 MeV could be reproducibly focused to a beam spot of about 300 x

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Bestrahlung von mikrometerdünnen Metallfolien durch moderne Hochenergiekurzpulslaser mit Intensitäten größer als 1018 W/cm2 führt unter anderem zur Beschleunigung von Ionenstrahlen mit Energien im Bereich von Megaelektronenvolt (MeV). Der Laserpuls beschleunigt zuerst Elektronen auf relativistische Energien, die dann durch die Folie propagieren. Sobald die Elektronen die Folien auf der Rückseite verlassen, wird ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke um 1012 V/m generiert. Adsorbierte Protonen von der Folienoberfläche können somit sehr effektiv in Richtung der Targetnormalen beschleunigt werden. Die derart generierten quasineutralen Strahlen bestehen aus mehr als 1012 Protonen in einem kurzen, ca. Pikosekunden andauernden, Puls. Mögliche Anwendungsgebiete sind die Diagnostik dichter Plasmen, die Nutzung als kompakter Injektor für Teilchenbeschleuniger, das Anregen kernphysikalischer Prozesse, die Energiegewinnung durch schnelle Zündung bei der Trägheitsfusion sowie ein eventueller Einsatz in der Krebstherapie mit Ionenstrahlen. So verfügen laserbeschleunigte Ionenstrahlen über einige Strahleigenschaften die weit besser sind als die von Ionenstrahlen aus herkömmlichen Ionenquellen. Dies motiviert den Einsatz als Ionenquelle der nächsten Generation. Bis heute existiert jedoch kein vollständiges Modell der Ionenbeschleunigung mit Lasern welches für Abschätzungen aller Strahlparameter verwendet werden kann. Die Entwicklung von Anwendungen erfordert jedoch eine genaue Kenntnis der Orts- und Impulsverteilung (Phasenraum) der Ionen sowie eine möglichst präzise Modellierung des Beschleunigungsvorgangs. Hierzu wurde die Messtechnik der abbildenden Spektroskopie mit radiochromischen Filmen “Radiochromic Film Imaging Spectroscopy (RIS)” entwickelt. Die für RIS benötigten Dosimetriefilme wurden am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg für Protonen absolut kalibriert. Des Weiteren verwendet RIS die Methode der Ionenstrahlmanipulation durch mikrometergroße Verformung der Folienoberfläche. Die Modulationen der Folienrückseite übertragen sich auf den Ionenstrahl und werden in einen Stapel radiochromischer Filme abgebildet. Es wurde eine Methode entwickelt, um äquidistante, mikrometergroße Gräben (Abstand entweder 3, 5 oder 10 Mikrometer) in die Oberfläche von dünnen Folien (Dicke 5 bis 50 Mikrometer) einzubringen. Dies geschieht per Ultrahochpräzisionszerspanung eines Trägermaterials sowie darauf folgender galvanischer Abscheidung der Folien und anschließendem Ätzen des Trägermaterials. Die mikrostrukturierten Folien wurden in Experimenten am Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion eXperiments (PHELIX) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH (Darmstadt, März 2006), in zwei Experimentkampagnen am TRIDENT-Laser des Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA, Mai 2005 und April 2006), am 100 TW Laser des Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (École Polytechnique, Palaiseau, Frankreich, Juni 2006) sowie am Z -Petawatt Laser der Sandia National Laboratories (New Mexico, USA, Dezember 2007) erfolgreich eingesetzt. Die Auswertung der Daten bestätigte nicht nur die Erkenntnisse früherer Experimente, sondern erlaubte zudem Rückschlüsse auf die der Beschleunigung zugrunde liegenden elektrischen Felder. Die Ergebnisse von RIS flossen in die Entwicklung des Charged Particle Transfer (CPT) Code ein, mit dem die Ionenbeschleunigung von der Rückseite der Folie dreidimensional simuliert werden kann. Mit CPT ist es möglich die Messergebnisse vollständig zu reproduzieren. Das dem CPT zugrunde liegende Modell wurde mit analytischen Betrachtungen untermauert, sowie mit Computersimulationen einer eindimensionalen Fluidexpansion mit Ladungsseparation und zweidimensionalen, relativistischen Particle-In-Cell (PIC) Simulationen verglichen. An o.g. Lasersystemen wurden des weiteren Experimente mit einer Verformung des Laserstrahlprofils auf der Vorderseite und dessen Auswirkung auf die Ionenbeschleunigung von der Folienrückseite durchgeführt. So konnte gezeigt werden, dass ein elliptisch geformter Laserfokus in einem elliptisch geformten Protonenstrahl resultiert. Diese Laserstrahlprofileinprägung nimmt mit zunehmender Dicke der Targetfolie ab. Die gleichzeitige Messung der Quellgröße der Protonenstrahlen mit Hilfe der mikrostrukturierten Folien führte zur Erkenntnis, dass der Elektronentransport bei 50 Mikrometer dicken Folien im wesentlichen durch Kleinwinkelstreuung bestimmt wird, die bei 13 Mikrometer dünnen Folien jedoch vernachlässigbar ist. Zur Interpretation der Messungen wurde der Sheath-Accelerated Beam Ray-tracing for IoN Analysis code (SABRINA) Code entwickelt, der aus einem gegebenen Laserstrahlprofil unter Berücksichtigung der Kleinwinkelstreuung das Intensitätsprofil des Protonenstrahls berechnet und die experimentellen Ergebnisse reproduziert. Die beobachtete, unerwartet große Emissionszone bei dünnen Folien ist höchstwahrscheinlich auf Rezirkulation der Elektronen in der Targetfolie zurückzuführen. Zur weiteren Optimierung laserbeschleunigter Protonenstrahlen wurden Experimente mit verschiedenen Targetgeometrien durchgeführt. So ergab die Analyse der RIS-Daten von Experimenten mit neuartigen, konusförmigen Targets mit flacher Rückseite am TRIDENT bei moderaten Intensitäten von 1019 W/cm2 mit 20 J in 600 fs eine nahezu zweifache Erhöhung der Maximalenergie der beschleunigten Protonenstrahlen, eine vierfach bessere Konversionseffizienz von Laserenergie in Ionenstrahlenergie sowie eine 13-fach höhere Ionenzahl über 10 MeV im Vergleich zu Daten von flachen Folien. Interpretationen der Messungen der energieabhängigen Quellgröße und Divergenz und PIC-Simulationen zeigen eine glockenförmige Elektronenschicht auf der Folienrückseite als Verursacher der Divergenz laserbeschleunigter Ionenstrahlen. Diese kann durch geometrische Verformung der Targetfolie kompensiert werden. Erste Ergebnisse zur Kollimation von laserbeschleunigten Protonenstrahlen wurden am Z -Petawatt Laser erzielt. Die Einkopplung von lasererzeugten Ionenstrahlen in konventionelle Beschleunigerstrukturen erfordert eine Separation der mit den Ionen propagierenden Elektronen. Dies kann durch einen Dipolmagneten erfolgen, wie in Experimenten am Z -Petawatt gezeigt werden konnte. In derselben Experimentkampagne konnte erstmals der kontrollierte Transport sowie die Fokussierung von laserbeschleunigten MeV-Protonen demonstriert werden. Hierzu wurden Miniatur-Quadrupollinsen, basierend auf Permanentmagneten mit Feldgradienten bis zu 500 T/m eingesetzt. Mit diesem Aufbau konnten 106 Protonen mit einer Energie von 14 MeV reproduzierbar auf eine Strahlgröße von ca. 300 x 200 Quadratmikrometer im Abstand von 50 cm von der Quelle fokussiert werden (siehe Abbildung auf der Titelseite). Diese Kollimationsmethode und mögliche Energieselektion entkoppelt die relativistische Laser-Protonenbeschleunigung von der Strahlführung und der Fokussierung und erlaubt so erstmals beide Sektionen separat zu optimieren. Die Verwendung von Ionenlinsen ist ideal geeignet zur Anwendung an der nächsten Generation von hochrepetierenden Hochenergie-Kurzpulslasersystemen. Die Ergebnisse der Arbeit führten zu einem verbesserten Verständnis der Protonenbeschleunigung durch Hochintensitätslaserbestrahlung dünner Metallfolien und ihrer Anwendungen. Die Ergebnisse, speziell zum Transport und zur Fokussierung, haben einen weiteren Schritt zur breiten Anwendung laserbeschleunigter Ionen in verschiedensten Gebieten wie der Beschleunigerphysik, Trägheitsfusion, Astrophysik oder Strahlentherapie beigetragen.

Uncontrolled Keywords: Plasmaphysik, Laser-Plasma Wechselwirkung, Ionenquelle, Kurzpulslaser, Laser-Ionenbeschleunigung, intensive Ionenstrahlen, Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, radiochromic Film, RCF, Particle-In-Cell Simulation, PIC
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Plasmaphysik, Laser-Plasma Wechselwirkung, Ionenquelle, Kurzpulslaser, Laser-Ionenbeschleunigung, intensive Ionenstrahlen, Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, radiochromic Film, RCF, Particle-In-Cell Simulation, PICGerman
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12323
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 09 Jan 2009 09:06
Last Modified: 08 Jul 2020 23:15
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1232
PPN: 208057293
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