Ion acceleration driven by high-intensity laser pulses [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jörg Schreiber

Jörg Schreiber

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Ion Acceleration
driven by
High-Intensity Laser Pulses
Dissertation der Fakult˜at fur˜ Physik
der Ludwig-Maximilians-Universit˜at Munchen˜
vorgelegt von
J˜org Schreiber
aus Suhl
Munc˜ hen, den 03.07.20061. Gutachter: Prof. Dr. Dietrich Habs
2. Gutachter: Prof. Dr. Ferenc Krausz
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 6. September 2006Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befa…t sich mit der Ionenbeschleunigung von Hochinten-
sit˜atslaser-bestrahlten Folien. M˜ogliche Anwendungen dieser neuartigen Ionen-
strahlen reichen von kompakten Injektoren fur˜ konventionelle Partikelbeschleu-
nigerub˜ erdieschnelleZundung˜ prekomprimierterFusionstargetsbiszurOnkologie
und Radiotherapie mit Ionen. Darub˜ er hinaus wird Protonenradiography schon
heute zum Studium der Dynamik Lasererzeugter Plasmen mit ps-Zeitau ˜osung
eingesetzt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein analytisches Modell entwickelt, basierend
auf der Ober ˜achenladung, die durch die auf der Folienruc˜ kseite austretenden
laserbeschleunigten Elektronen erzeugt wird. Dieses Feld wird fur˜ die Dauer
des Laserimpulses ¿ aufrechterhalten, ionisiert Atome an der Folienruc˜ kseite undL
beschleunigt die Ionen. Die vorhergesagten Maximalenergien der Ionen E stim-m
men gut mit den experimentellen Resultaten dieser Arbeit und verschiedenener
Gruppen weltweit ub˜ erein (Abb. 1).
Neben Protonen, die aus Kohlenwasserstofiverunreinigungen auf den Folien-
ober ˜achen stammen, werden auch schwerere Ionen, wie zum Beispiel Kohlen-
stofi, beschleunigt. Mit der Schneidenmethode konnten neben der Veriflkation
der aus zahlreichen Messungen bekannten Quellgr˜o…en von Protonen auch die
Quellgr˜o…enderverschiedenenKohlensto†adungszust˜andebestimmtwerden. Aus
der Unterdruc˜ kung hoher Ladungszust˜ande weit entfernt vom Zentrum der Emis-
sionszone konnte die radiale Feldverteilung des Beschleunigungsfeldes abgeleitet
werden (Abb. 2), dessen radiale Ausdehnung die Gr˜o…e des Laserfokus um zwei
1.2
Figure 1: Ver-
1.0 gleich experimenteller
Ergebnisse mit dem
0.8 analytischen Modell
NOVAPW (Kurve). Die Sym-
0.6 RALVULCAN
bole zeigen die vonRALPW
MBI verschiedenen Grup-GEKKO0.4
MPQ
LULI pen experimentellJANUSP
LULI2
ASTRA bestimmten Maxi-0.2 LULIheavy
LOA
TRIDENT malenergien E alsJETI m
0 Funktion der Dauer0 1 2 3 4 5 6 7 8
der Laserimpulse ¿ .Lt /tL 0
1/ 2
X = (E / E )
m i,¥Figure 2: Radiale
1
10 Feldverteilung an der
C5+
F th Folienruc˜ kseite einer
d = 5„m dicken Alu-
miniumfolie bestrahlt0
10
mit einem Laserimpuls
mit einer Intensit˜at von
C4+ 19 2F th 2 ¢ 10 W=cm in einem
-1
10 Fokusmitd =5„mFWHM
C3+
F th Durchmesser. Die mit dend=5 m
C2+
F Fehlerbalken gekennzeich-th
d =2r =5 mFWHM L-2 neten Grenzen markieren10
50 100 150 200 250 die Schwellen fur˜ se-laser distance from center [ m]
quenzielle Feldionisation
F .th
Gr˜o…enordnungenub˜ ertrifit. DesweiterenkonntemitHilfevonvergrabenenSchich-
ten gezeigt werden, da… das elektrische Feld Ionen aus einer Tiefe von 50nm er-
reichen kann. Aus diesen Einsichten wurde geschlu…folgert, da… monoenergetische
IonenstrahlendurchdieEinschr˜ankungderQuellesowohlinihrerDicke(<50nm)
als auch transversal zu einer kleinen Fl˜ache mit einem Durchmesser der Gr˜o…des
Laserfokus (< 10„m), erzeugt werden k˜onnen. Dies bedeutet, da… alle Ionen die
gleiche elektrische Feldst˜arke w˜ahrend ihrer Beschleunigung spuren.˜
In einigen Experimenten wurden die bestrahlten Folien geheizt, um die Kohlen-
wasserstofiverunreinigungen zu entfernen, so da… schwerere Ionen von Lithium bis
Wolfram efiektiv beschleunigt werden konnten. Die beobachteten Ladungszus-
tandsverteilungen ˜ahnelten Gleichgewichtsladungsverteilungen, wie man sie von
Ionen hinter einem Strippermaterial erwartet. Da der Ein u… des Restgases in der
Experimentierkammer ausgeschlossen werden konnte, mu… sich die Gleichgewicht-
sladungsverteilung nahe der Folienruc˜ kseite, wo auch die eigentliche Beschleuni-
gung stattflndet, einstellen.
Die Erkenntnisse dieser Arbeit fuhrten˜ zu einem verbesserten Verst˜andnis des
Prozesses der Ionenbeschleunigung mit Hochintensit˜atslasern wie sie heutzutage
verwendetwerden[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. DieneuartigenIonenstrahlen
k˜onnten ihre Anwendung in der Radiotherapie flnden. Die dafur˜ notwendigen
monoenergetischen Protonen mit Energien von 140MeV k˜onnen mit den kunftig˜
weit verbreiteten PW-Lasersystemen erzeugt werden.
Max Acceleration field [TV/m]Abstract
Within the framework of this thesis the ion acceleration from foils irradiated by
high-intensity laser pulses was studied. The application of such laser accelerated
ion beams could reach from compact fast-ion injectors for conventional particle
accelerators over fast ignition for inertial conflnement fusion to oncology and ra-
diotherapy with ion beams. Proton imaging of laser produced plasmas is one
application which had already great impact in exploring laser plasma dynamics
with ps time resolution. For all applications it is necessary to understand the
physical processes to be able to control the properties of the ion beam.
In this work an analytical model could be derived which is purely based on the
surface charge created by the laser accelerated electrons which pass the target and
exitintovacuumattherearside. Thefleldofthissurfacechargeismaintainedfor
the duration of the laser pulse ¿ and, after fleld-ionizing atoms at the target rearL
side, accelerates the ions. The predicted maximum ion energies E are in goodm
agreement with experimental results obtained in this work and by other groups
all over the world (Fig. 3). The found scalings are also conflrmed by recent PIC
simulations.
Inadditiontoprotonsalsotheaccelerationofheavierionswasinvestigated. The
appearance of difierent charge states raised questions about their origin for a long
time. In all experiments heavy ions such as carbons are accelerated along with
protons. Using the knife edge method not only the large source sizes for protons
could be verifled but also the source sizes of the difierent carbon charge states
1.2
Figure 3: Com-
parison of experimen-
1.0
tal results with an-
alytic model (solid0.8
line). The sym-
NOVAPW
0.6 bols denote the ex-RALVULCAN
RALPW perimentally obtained
MBIGEKKO0.4 maximum ion ener-MPQ
LULI
JANUSP
LULI2 giesE fromdifierentm
ASTRA0.2 LULIheavy
LOA laser systems all over
TRIDENT JETI
the world as a func-
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 tion of the laser pulse
t /t duration ¿ .L 0 L
1/ 2
X = (E / E )
m i,¥Figure 4: Radial proflle
1
10
of the maximum fleld atC5+
F th
the rear side of a d =
5„m thick aluminum tar-
0
10 get irradiated by a laser
pulse with an intensity of
19 22¢ 10 W=cm in a focalC4+
F th
-1 spot of d = 5„mFWHM10
C3+ full width at half maxi-F thd=5 m
mum diameter. The lim-C2+
F th
its marked by the errord =2r =5 mFWHM L-2
10 bars represent the thresh-50 100 150 200 250
laser distance from center [ m] old flelds for sequential
fleld ionization F .th
could be estimated. The suppression of high charge states at large distances from
the center of the emission zone could be used to derive a radial fleld distribution
(Fig. 4). The radial extension was found to exceed the focal spot size by 2 orders
of magnitude. Additionally the longitudinal extension of the electric fleld inside
thetargetwasestimatedbyusingburiedlayers. Itwasfoundthatthefleldreaches
ions in the target up to a depth of 50nm. These insights led to the understanding
of how mono-energetic ion beams can be produced by constraining the source to
a thin layer (< 50nm) and a small area with a diameter of the order of the laser
focalspot(<10„m). Thus, theflelddoesnotconsiderablychangeoverthesource
layer, i.e., all ions are accelerated in the same fleld.
Anumberofexperimentswereperformedwithheatedtargetswhereallhydrogen
contaminants were removed thus allowing for an efiective acceleration of heavier
ions reaching from lithium to tungsten. The observed charge state distributions
resembled equilibrium charge state distributions as one would expect from ions
passingastrippermedium. Thein uenceoftheresidualgasinthetargetchamber
couldberuledout, concludingthatthechargestatedistributionarrangesnearthe
rear side of the foil where also the acceleration takes place.
The insights attained in this work did lead to a good understanding of the
process of ion acceleration with nowadays high-intensity laser pulses [1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]. Possible applications are seen in the radiotherapy with ion
beams where the required mono-energetic proton beams with energies of 140MeV
could be achieved with PW-class lasers.
Max Acceleration field [TV/m]Contents
1 Introduction 1
1.1 History of laser-ion acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Recent results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Theory 5
2.1 Laser-electron interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Interaction with a single electron . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Interaction with a plasma . . . . . . . . . . .