Shaping of laser-accelerated ion beams for applications in high energy density physics

Metternich, Martin (2023)
Shaping of laser-accelerated ion beams for applications in high energy density physics.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024395
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Shaping of laser-accelerated ion beams for applications in high energy density physics

Language:

English

Referees:

Roth, Prof. Dr. Markus ; Bagnoud, Prof. Dr. Vincent

Date:

2023

Place of Publication:

Darmstadt

Collation:

x, 110 Seiten

Date of oral examination:

15 February 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024395

Abstract:

The goal of this work was the generation of a suitable ion beam for specific applications with a laser-driven ion beamline, which was realized within the Laser Ion Generation Handling and Transport (LIGHT) collaboration at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH. For this purpose, the influence of the beam shaping on the initial properties of the laser-generated ion beam has first been characterized in detail. In addition, equations have been derived to calculate the required magnetic and electric field strengths of the beamline components for the applications under investigation. These findings have then been used to determine the optimal setup of the LIGHT beamline for the following three applications:

• The injection of the ion beam into the heavy ion synchrotron SIS18 at GSI

• The generation and investigation of high proton fluxes

• The generation of a suitable ion beam for the measurement of the stopping power of dense, highly ionized plasmas

Subsequently, the expected beam parameters for these setups were determined by numerical simulations and verified experimentally. According to the numerical simulations, the current setup of the LIGHT beamline can inject 3 × 10⁸ protons with an energy of 11.4 MeV into the SIS18 synchrotron at GSI in one shot. Since the synchrotron can accommodate more than 10¹⁰ protons, proposals have also been elaborated to increase the number of particles for this application. With respect to the generation of high proton fluxes, in an experimental campaign that was carried out as part of this work, a proton bunch with (7.72 ± 0.14) MeV and a particle flux of (3.28 ± 0.24) × 10⁸ ns⁻¹ mm⁻² was achieved. Of particular note is the temporal width of this proton bunch, which was only (742 ± 40) ps (FWHM). Furthermore, the corresponding simulations for this experiment revealed that the cross-shaped ion beam profile in pulsed high-field solenoid beamlines, which is shown on the cover of this thesis, is caused by the magnetic field of the connecting cables of the solenoid magnets. These results have been published in [Metternich et al., 2022]. Finally, the generation of a suitable ion beam for measuring the stopping power of dense, highly ionized plasmas was investigated and experimentally performed using the LIGHT beamline. The resulting ion beam had an energy of (0.60 ± 0.02) MeV u⁻¹ and a temporal width of (1.23 ± 0.04) ns (FWHM). Moreover, it could be estimated that (2.0 ± 0.6) × 10⁶ carbon ions of this bunch will penetrate the spatially homogeneous region of the plasma under investigation in the planned experiment, i.e., three orders of magnitude more particles than in previous measurements at GSI with a temporal bunch width comparatively almost five times shorter. The measurement of the stopping power of dense, highly ionized plasmas with the beam parameters achieved in this work should therefore lead to much lower measurement uncertainties than in the experiments performed so far.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Ziel dieser Arbeit war die Erzeugung eines geeigneten Ionenstrahls für spezifische Anwendungen mit einer lasergetriebenen Ionenstrahlführung, welche im Rahmen der Laser Ion Generation Handling and Transport (LIGHT) Kollaboration an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH realisiert wurde. Zu diesem Zweck ist zunächst der Einfluss der Strahlformung auf die initialen Eigenschaften des lasergenerierten Ionenstrahls detailliert charakterisiert worden. Außerdem wurden Gleichungen hergeleitet, mit denen die erforderlichen magnetischen und elektrischen Feldstärken der Strahlführungskomponenten für die zu untersuchenden Anwendungen berechnet werden können. Mit diesen Erkenntnissen ist dann der optimale Aufbau der LIGHT Strahlführung für die folgenden drei Anwendungen ermittelt worden:

• Die Injektion des Ionenstrahls in das Schwerionensynchrotron SIS18 der GSI

• Die Erzeugung und Untersuchung von hohen Protonenflüssen

• Die Erzeugung eines geeigneten Ionenstrahls für die Messung des Bremsvermögens von dichten, hochionisierten Plasmen

Anschließend wurden die zu erwartenden Strahlparameter für diese Aufbauten durch numerische Simulationen bestimmt und experimentell überprüft. Nach den numerischen Simulationen können mit dem derzeitigen Aufbau der LIGHT Strahlführung 3 × 10⁸ Protonen mit einer Energie von 11,4 MeV in das Synchrotron SIS18 der GSI in einem Schuss injiziert werden. Da das Synchrotron mehr als 10¹⁰ Protonen aufnehmen kann, wurden auch Vorschläge zur Erhöhung der Teilchenzahl für diese Anwendung ausgearbeitet. Im Hinblick auf die Erzeugung von hohen Protonenflüssen wurde in einer experimentellen Kampagne, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurde, ein Protonenbündel mit (7,72 ± 0,14) MeV und einem Teilchenfluss von (3.28 ± 0.24) × 10⁸ ns⁻¹ mm⁻² erzeugt. Besonders hervorzuheben ist dabei die zeitliche Breite dieses Protonenbündels, die nur (742 ± 40) ps (FWHM) betrug. Außerdem ergaben die entsprechenden Simulationen zu diesem Experiment, dass das kreuzförmige Ionenstrahlprofil in gepulsten Hochfeld-Solenoid-Strahlführungen, welches auf dem Titelbild dieser Arbeit abgebildet ist, durch das Magnetfeld der Anschlusskabel der Solenoid-Magnete verursacht wird. Diese Ergebnisse sind in [Metternich et al., 2022] veröffentlicht worden. Schließlich wurde die Erzeugung eines geeigneten Ionenstrahls für die Messung des Bremsvermögens von dichten, hochionisierten Plasmen untersucht und experimentell mit der LIGHT Strahlführung durchgeführt. Der resultierende Ionenstrahl hatte eine Energie von (0,60 ± 0,02) MeV u⁻¹ und eine zeitliche Breite von (1,23 ± 0,04) ns (FWHM). Darüber hinaus konnte abgeschätzt werden, dass (2,0 ± 0,6) × 10⁶ Kohlenstoffionen dieses Bündels im geplanten Experiment den räumlich homogenen Bereich des zu untersuchenden Plasmas durchdringen werden, also drei Größenordnungen mehr Teilchen als bei vorherigen Messungen an der GSI bei einer vergleichsweise fast fünfmal kürzeren zeitlichen Bündelbreite. Die Messung des Bremsvermögens von dichten, hochionisierten Plasmen mit den in dieser Arbeit erreichten Strahlparametern sollte daher zu wesentlich geringeren Messunsicherheiten führen als bei den bisher durchgeführten Experimenten.

German

Status:

Publisher's Version

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-243956

Classification DDC:

500 Science and mathematics > 530 Physics

Divisions:

05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics

Date Deposited:

09 Aug 2023 11:05

Last Modified: