Laser proton acceleration from water micro-droplets and solid hydrogen targets

Beschreibung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beschleunigung von Protonen während der Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Plasmen. Dabei wurde das Hauptaugenmerk auf die Messung und Verbesserung der Protonenstrahleigenschaften und eine Konversionseffizienzerhöhung von der Laserpuls- in Bewegungsenergie der erzeugten Protonen gelegt. Hier identifizierte die Untersuchung der Erzeugung energetischer Protonen von Wasser-Mikro-Tröpfchen den zeitlichen Intensitätskontrast des Laserpulses als eine der Ursachen der bisherigen Beschränkung der maximal erreichbaren Teilchenenergien. Eine kontrollierte Beein flussung dieser Größe erhöhte die erreichbare kinetische Energie der Protonen um einen Faktor 10 gegenüber früheren Experimenten. Durch die kontinuierliche Erzeugung der Wasser-Mikro-Tröpfchen konnte außerdem die Realisierung von Protonenpulsen mit hohen Wiederholraten demonstriert werden. Weiterhin wurden Filamente aus festem Wasserstoff zur Erzeugung energetischer Protonenstrahlung mit Hochintensitätslasern im Rahmen dieser Arbeit im Detail untersucht. Dabei führt die Verdampfung des Wasserstoffs zur Bildung einer Korona, die den Beschleunigungsprozess beeinfl usst. In der Korona wird durch die Plasmaexpansion des Filaments eine Schockwelle induziert, die zu einer deutlichen Modulation der Energiespektren der Protonen führt. Weiterhin konnte mit einem Laser der 10-TW-Klasse eine Erhöhung der Konversionseffizienz von Laser- in Protonenenergie auf einige Prozent erreicht werden, die bisher nur mit Hochenergielasern demonstriert werden konnte, die einige 100 Joule an Pulsenergie zur Verfügung stellen. Die Implementierung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Überwachung des erzeugten Protonenstrahlprofils zeigte weiterhin eine Abhängigkeit der auftretenden Strukturen innerhalb des Profils von der Dimensionalität des Targets. Die effiziente Erzeugung energetischer Protonenstrahlung bei hohen Wiederholraten, die in dieser Arbeit erfolgreich realisiert werden konnte, ist im Hinblick auf Anwendungen im Bereich der Beschleunigertechnologie, Materialkunde und Medizinphysik von großem Interesse.

Autor*in

Jens Polz

Themen in »Laser proton acceleration from water micro-droplets and solid hydrogen targets«

Laser field Laser proton ionisation laser-pulse energy plasma proton beam protons relativistic laser pulses single-electron interaction

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