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Enhancing laser-induced X-ray emission and ion acceleration with microstructured targets

Ebert, Tina (2021):
Enhancing laser-induced X-ray emission and ion acceleration with microstructured targets. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019965,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Enhancing laser-induced X-ray emission and ion acceleration with microstructured targets
Language: English
Abstract:

The irradiation of thin, solid foils with a high intensity laser leads to the heating of electrons, which in turn, among other things, generate characteristic X-ray line emission and strong electrostatic fields thatcan accelerate ions. The induced radiation and particle yield can be enhanced by increasing the energy transfer from the laser to the hot electrons. Potential applications of these laser-induced secondarysources range from non-destructive imaging via proton or X-ray radiography, to the ignition of inertial confinement capsules by focused ion beams, to the generation of directed neutron pulses.

This thesis investigates targets with microstructured front surfaces to enhance the laser matter coupling. In previous studies, targets with micro-engineered surfaces have shown great potential in improving the energy transfer, as they can affect the relevant heating mechanisms, introduce guiding effects and increase the interaction volume and time. Much effort has been spent on investigating fragile structures such as nanowires, however, since these structures are only suited to laser systems with ultrahigh contrast and pulse lengths in the tens of femtoseconds range, high energy lasers with longer pulse lengths call for more durable microstructures. Therefore, in this thesis the surfaces of flat silicon wafers are modified with conical, spike-like microstructures in a randomly distributed, dense array. The structures are produced via ultrashort laser pulse processing. For this, an experimental setup was designed, which allows to create a wide range of spike geometries by changing the processing parameters, including the parameters of the femtosecond laser, the processing medium as well as the target material. In addition, a replication procedure based on molding with polydimethylsiloxane (PDMS) was developed. It enables the fabrication of a master target mold, which is subsequently used to create identical microstructures out of other materials such as polystyrene and copper.

The fabricated targets were studied in experimental campaigns at the PHELIX laser at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany, and the Omega EP laser at the Laboratory for Laser Energetics (LLE), Rochester, NY, USA, with varied laser contrasts, intensities, and pulse lengths. Both laser systems deliver pulse energies above 100 J at pulse lengths exceeding 0.5 ps, thereby fulfilling a main requisite for the generation of powerful radiation and particle sources. The laser-induced X-ray generation and ion acceleration with the microstructured targets was evaluated in comparison to flat foils. In addition to the experiments, complementary 2D particle-in-cell (PIC) simulations were performed to study the impact of the microspikes on the electron heating processes, optimize the target parameters and validate the experimental findings.

The microstructured targets showed both an enhancement of the accelerated proton numbers and their maximum energies. In particular, matching the structures tilt angle to the laser incidence angle resulted in a 40% increase of the maximum energy compared to structures with a relative angle of 30°, which was observed both experimentally and in corresponding simulations. Furthermore, the silicon targets with a microstructured surface generated an up to 13 times stronger Heα emission and a 12 times stronger Lyα line compared to a flat target at a laser pulse length of 1 ps. The benefit decreases with increasing pulse length, but even at the longest investigated pulse length of 20 ps they showed an enhancement for both lines. In contrast to alternative target types such as foam targets or targets with an attached shield, the presented microspikes generate a well-defined X-ray pulse with a rapidly decaying slope. Using PIC simulations, the importance of target geometry optimization to further enhance the performance is demonstrated and the spiked targets are compared to another microstructure type, namely micropillars, in terms of their ion acceleration efficiency. The results presented in this thesis highlight the potential of microstructured targets for enhancing laser-induced secondary sources.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Bestrahlung dünner Folien mit einem Hochintensitäts-Laser führt zur Erzeugung von heißen Elektronen, die anschließend unter anderem charakteristische Röntgenstrahlung produzieren sowie starke elektrostatische Felder hervorrufen, welche ihrerseits Ionen beschleunigen können. Die Strahlungs- und Teilchenausbeute kann dabei durch eine Optimierung des Energietransfers zwischen Laser und Elektronen erhöht werden. Mögliche Anwendungen solcher laserinduzierten Sekundärquellen reichen von zerstörungsfreier Bildgebung mittels Protonen- oder Röntgenradiographie über die Zündung von Trägheitsfusionskapseln durch fokussierte Ionenstrahlen bis hin zur Erzeugung gerichteter Neutronenpulse.

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung mikrostrukturierter Targets zur Verbesserung der Laser-Materie-Kopplung. In vorhergehenden Studien hat die Mikrostrukturierung von Targetoberflächen großes Potenzial zur Steigerung des Energietransfers gezeigt, da dadurch relevante Heizmechanismen beeinflusst und sowohl das Wechselwirkungsvolumen als auch die -zeit vergrößert werden können. Eine typische Strukturart sind sogenannte Nanodrähte. Diese fragilen Strukturen sind jedoch vor allem für Lasersysteme mit ultrahohem Kontrast und Pulslängen im Femtosekundenbereich geeignet, weshalb für Hochenergielaser mit längeren Pulsdauern beständigere Mikrostrukturen benötigt werden. In dieser Arbeit werden hierfür kegelförmige, nadelartige Mikrostrukturen durch ultrakurze Laserpulse auf polierten Silizium-Wafern erzeugt, was zu einer dichten Anordnung der Strukturen mit zufälliger Verteilung führt. Dazu wurde ein Versuchsaufbau konzipiert, mit dem eine große Bandbreite von Nadelgeometrien erzeugt werden kann, indem die Bearbeitunsgsparameter eingestellt werden. Dazu zählen u.a. die Eigenschaften des Femtosekundenlasers, das Umgebungsmedium und das Targetmaterial. Darüber hinaus wurde ein Replikationsverfahren entwickelt, welches auf der Abformung mit Polydimethylsiloxan (PDMS) basiert. Der Prozess ermöglicht die Herstellung einer Master-Form, mit dem identische Kopien der Mikrostrukturen aus anderen Materialien wie Polystyrol und Kupfer fabriziert werden können.

Die hergestellten Targets wurden anschließend in experimentellen Kampagnen am PHELIX-Laser am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland, und am Omega EP-Laser am Laboratory for Laser Energetics (LLE), Rochester, NY, USA, mit unterschiedlichen Laserkontrasten, -intensitäten und -pulslängen untersucht. Beide Lasersysteme liefern Pulsenergien von über 100 J bei Pulslängen von mehr als 0,5 ps und erfüllen damit eine wichtige Voraussetzung für die Erzeugung leistungsstarker Strahlungs- und Teilchenquellen. Die mikrostrukturierten Targets wurden bezüglich der Erzeugung von Röntgenstrahlung und der Beschleunigung von Ionen mit flachen Folien verglichen. Ergänzend zu den Experimenten wurden 2D Particle-in-Cell (PIC) Simulationen durchgeführt, um den Einfluss der Mikro-Nadeln auf die Elektronenheizprozesse zu untersuchen, die Targetparameter zu optimieren und die experimentellen Ergebnisse zu validieren.

Die mikrostrukturierten Targets zeigten sowohl eine erhöhte Anzahl als auch Maximalenergie der beschleunigten Protonen. Insbesondere durch die Anpassung des Neigungswinkels der Strukturen an den Einfallswinkel des Lasers wurde eine Steigerung der Maximalenergie um 40% im Vergleich zu Strukturen mit einem relativen Winkel von 30° in den Experimenten und den korrespondierenden Simulationen beobachtet. Darüber hinaus erzeugten die mikrostrukturierten Siliziumtargets bei einer Laserpulslänge von 1 ps eine bis zu 13-mal stärkere Heα-Emission und eine 12-mal stärkere Lyα-Linie im Vergleich zu einem flachen Target. Mit längeren Pulslängen nimmt der Einfluss der Strukturen ab, aber auch bei der längsten gemessenen Pulslänge von 20 ps zeigte sich eine Intensitätssteigerung beider Linien. Im Gegensatz zu alternativen Targettypen, wie z.B. Schaumtargets oder Targets mit zusätzlichem Schirm, erzeugen die hier vorgestellten Nadeln einen Röntgenpuls mit definierter Länge und einer kurzen Abklingflanke. Mithilfe der PIC-Simulationen wurde zudem gezeigt, welche Bedeutung die Optimierung der Targetgeometrie für eine weitere Verbesserung des Röntgen- und Teilchenertrags hat. Außerdem wurden die Nadeltargets mit einem anderen typischen Mikrostrukturtyp, den Mikrosäulen, bezüglich ihrer Wirksamkeit für die Protonenbeschleunigung verglichen. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert werden, verdeutlichen das Potential mikrostrukturierter Targets für die Verbesserung von laserinduzierten Sekundärquellen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 122 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 17 Dec 2021 10:12
Last Modified: 17 Dec 2021 10:12
DOI: 10.26083/tuprints-00019965
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-199659
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus ; Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Date of oral examination: 8 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19965
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