Neutronenquellen mit hohen Fluss- und Repetitionsraten sind interessant für Anwendungen im Bereich der Materialwissenschaften, speziell Fusionsforschung, um den Effekt von hohen Neutronenflüssen in fusionsrelevanten Materialien zu simulieren. Petawatt-Lasergetriebene Neutronstrahlen haben die nötigen Eigenschaften und das Potential solche Studien zu ermöglichen. Die sogenannten "Pitcher-Catcher"-Konfiguration erzeugt gerichtete Ionenstrahlen mit Hilfe des Pitcher-Targets, die dann Neutronen durch nukleare Reaktion im Catcher-Targetmaterial produzieren. Obwohl die Neutronenproduktion in dieser speziellen Konfiguration erst seit kurzem genauer untersucht wird, erreicht sie bis heute die höchste gemessenen Neutronenausbeute mit Kurzpulslasern. Studien dazu sind hauptsächlich auf Einzelschussbasis durchgeführt worden und folglich sind mehrere Hürden auf dem Weg zu einer Laserneutronenquelle mit hoher Repetitionsrate zu überkommen.

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung der einzelnen Komponenten einer funktionstüchtigen Laserneutronenquelle mit hoher Repetitionsrate, mit Fokus auf der Entwicklung eines stabilen, kompatiblen Targetsystems, eines Catcher-Targets, welches die Optimierung der Neutronenproduktion erlaubt, und einer effizienten Detektorplatform für Ionen und Neutronen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein robustes Targetsystem, basierend auf einem SLAC-entwickelten System, für konvergierende, flüssige Jets entwickelt. Dieses System wurde erfolgreich in zwei unterschiedlichen Hochleistungslasereinrichtungen getestet, ohne Anzeichen von Schäden am Targetsystem oder Degradierung der Qualität des Targets. Das Jet-Targetsystem wurde am ALEPH Laser zur Beschleunigung von Deuteronen aus schwerem Wasser mit einer Repetitionsrate von 0.5 Hz und einer mittleren Flussdichte von 1×10^12 Deuterons/sr/min verwendet. Gemessenen Spektren erreichten vergleichbare Enegien und Flüssen über 60 konsekutive Schüsse für drei unterschiedliche Laserenergien. Eine Skalierungsmessung mit den durchschnittlichen Deuteronenspektren für die unterschiedlichen Laserenergien zeigt eine abweichende, möglicherweise günstigere Skalierung der maximalen Deuteronenenergie als bereits etablierte Skalierungen.

Ein anpassbarer Catcher für Neutronengeneration ist der zentrale Baustein einer flexiblen Neutronengenerationsplatform für hohe Repetitionsraten. Das Catcherdesign kann basierend auf Lasereigenschaften und experimentspezifische Konstellationen angepasst und geändert werden und ist optimiert für die Generation von gerichteten Neutronenstrahlen mit hohen Flussraten. Der flexible Detektorenaufbau vereinfacht die gleichzeitige, durchgängige Messung von Ionen- und Neutronenstrahlen und die Identifizierung von Korrelationen zwischen Ionen- und Neutronenstrahlemissionscharakteristiken. Hohe Repetitionsraten werden durch die Verwendung von kryogenen und flüssigen Jettargets als Pitcher-Target ermöglicht.

Die entwickelte Neutronenproduktionsplatform wurde erfoglreich mit kryogenen Deuteriumjetargets am Texas Petawatt Lasersystem getestet. Effiziente Neutronenproduktion mit einer gerichteten Komponente und maximalem Fluss von 7.2×10^9 Neutronen/sr und niedrigem Öffnungswinkel von ±20◦ wurden gemessen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für Experimente mit hohen Repetitionsraten auf dem Weg zur Realisierung einer gepulsten schnellen Neutronenquelle mit hoher Flussdichte und kurzer Pulsdauer. Diese Quelle wird Studien im Bereich der Fusionsforschung ermöglichen und zusätzlich als Diagnostik komplementär zu Röntgenstrahlen einsetzbar sein um kurzlebige Prozesse zu messen.