Achieving highest proton intensities with a laser-based ion beamline

This thesis reports on a test beamline which combines laser-driven ion sources with conventional accelerator elements realized at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH. The Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion EXperiments (PHELIX) drove a Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) source which delivered an exponentially decaying proton spectrum up to ≈ 21.5 MeV. In the next step, the generated proton beam is collimated by a pulsed high-field solenoid, which selected a specific energy range. Through this setting, the central energy was defined, which was transported through the whole beamline. In this thesis, the aim was a central energy value of E0 = 8 MeV and solenoid magnetic field strength of 6.5 T. Proton numbers of the order of 10^9 were measured in an energy interval of (8.5 ± 0.25) MeV. Afterwards, the collimated proton bunch entered a radiofrequency (rf) cavity operated at 108.4 MHz. Inside this element, the particle bunch was compressed in longitudinal phase space around its central energy by a certain angle. At an rf power of 6.26 V, the proton bunch was temporally focused to a bunch duration of (458 ± 40) ps at full width at half maximum (FWHM) in 6 m distance from the source. The measurement was performed with a specially developed diamond membrane detector, which had a time resolution of (113 ± 11) ps (FWHM). Finally, a second pulsed high-field solenoid was built-in as a final focusing system. In consequence, the beam was focused down to a focal spot size of 1.1 mm x 1.2 mm at FWHM.

In dieser Arbeit wurde eine Strahlführung am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH realisiert, bei der eine laserbasierte Ionenquelle mit konventionellen Beschleunigerelementen kombiniert wird. Der Petawatt Hoch-Energie Laser für SchwerIoneneXperimente (PHELIX) erzeugte mithilfe des Target Normal Sheath Acceleration (TNSA)-Mechanismus ein exponentiell abfallendes Protonenspektrum bis zu ≈ 21.5 MeV. Im nächsten Schritt wurde der Strahl mithilfe eines gepulsten Hochfeldsolenoiden kollimiert.. Durch die Einstellung der magnetischen Feldstärke wurde die zentrale Energie von E0 = 8 MeV definiert, die durch die Strahlführung transportiert wurde, bei eine Magnetfeldstärke von 6.5 T- Innerhalb eines Energieintervalls von (8.5 ± 0.25) MeV wurden ≈ 10^9 Protonen gemessen. Das kollimierte Teilchenpaket trat in eine Hochfrequenz-Kavität mit 108.4 MHz ein und wurde im longitudinalen Phasenraum komprimiert. Bei einer Hochspannung von 6.26 V konnte der Protonenstrahl zeitlich auf eine Pulslänge von (458 ± 40) ps Halbwertsbreite (engl. FWHM) im Abstand von 6 m zur Quelle fokussiert werden. Die Messung wurde mit einem speziell dafür entwickelten Diamantmembrandetektor durchgeführt, der eine Zeitauflösung von (113 ± 11) ps (FWHM) aufwies. Am Ende wird der Teilchenstrahl mit einem zweiten gepulsten Solenoid auf eine Fokusgröße von 1.1 mm x 1.2 mm (FWHM) fokussiert.