Dokument: Experimental control of the beam properties of laser-accelerated protons and carbon ions

Titel:	Experimental control of the beam properties of laser-accelerated protons and carbon ions
Weiterer Titel:	Experimentelle Kontrolle der Strahleigenschaften laserbescheunigter Protonen und Kohlenstoffionen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=10395
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20090213-103719-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Amin, Munib [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,15 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.02.2009 / geändert 11.02.2009
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter]
Stichwörter:	laser ion acceleration, laser-plasma interaction
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	The laser generation of energetic high quality beams of protons and heavier ions has opened up the door to a plethora of applications. These beams are usually generated by the interaction of a short pulse high power laser with a thin metal foil target. They could already be applied to probe transient phenomena in plasmas and to produce warm dense matter by isochoric heating. Other applications such as the production of radioisotopes and tumour radiotherapy need further research to be put into practice. To meet the requirements of each application, the properties of the laser-accelerated particle beams have to be controlled precisely. In this thesis, experimental means to control the beam properties of laser-accelerated protons and carbon ions are investigated. The production and control of proton and carbon ion beams is studied using advanced ion source designs: Experiments concerning mass-limited (i.e. small and isolated) targets are conducted. These targets have the potential to increase both the number and the energy of laser-accelerated protons. Therefore, the influence of the size of a plane foil target on proton beam properties is measured. Furthermore, carbon ion sources are investigated. Carbon ions are of particular interest in the production of warm dense matter and in cancer radiotherapy. The possibility to focus carbon ion beams is investigated and a simple method for the production of quasi-monoenergetic carbon ion beams is presented. This thesis also provides an insight into the physical processes connected to the production and the control of laser-accelerated ions. For this purpose, laser-accelerated protons are employed to probe plasma phenomena on laser-irradiated targets. Electric fields evolving on the surface of laser-irradiated metal foils and hollow metal foil cylinders are investigated. Since these fields can be used to displace, collimate or focus proton beams, understanding their temporal and spatial evolution is crucial for the design of controllable sources of laser-accelerated protons. In addition, laser-irradiated water droplets are investigated. In previous work, these mass-limited targets could be shown to be the origin of quasi-monoenergetic protons and deuterons. The experiments presented in this thesis aim at the elucidation of the processes taking place when a water droplet is irradiated by a short pulse high power laser. Experimental results are interpreted using models and simulations. A particle simulation code using advanced rendering algorithms is presented. These algorithms are of general interest for particle simulation and image processing. Die lasergestützte Erzeugung hochqualitativer Strahlen energetischer Protonen und anderer Ionen hat eine Vielzahl von Anwendungen in greifbare Nähe rücken lassen. Diese Teilchenstrahlen werden für gewöhnlich durch die Wechselwirkung von Kurzpuls-Hochleistungslasern mit dünnen Metallfolien generiert und konnten bereits für die Analyse kurzlebiger Phänomene in Plasmen oder zum isochoren Heizen verwendet werden. Andere mögliche Anwendung wie die Herstellung von Radioisotopen und die Behandlung von Tumoren mittels Strahlentherapie erfordern weitere Forschung. Um die Anforderungen der Anwendungen zu erfüllen, müssen die Eigenschaften der Teilchenstrahlen präzise kontrolliert werden. Die vorliegende Arbeit behandelt die experimentelle Kontrolle laserbeschleunigter Protonen und Kohlenstoffionen. Gegenstand der Experimente sind zunächst moderne Konzepte für die Erzeugung der Teilchenstrahlen. Eines dieser Konzepte ist die Verwendung isolierter Targets mit geringer Masse. Mithilfe dieser Targets kann eine Erhöhung der Anzahl und der Energie beschleunigter Protonen erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie die Strahleigenschaften von der Größe eines Folientargets abhängen. Ferner wird die Beschleunigung von Kohlenstoffionen behandelt. Kohlenstoffionen sind für bestimmte Anwendungen wie isochores Heizen und die Behandlung von Tumoren mittels Strahlentherapie von besonderer Bedeutung. Die Möglichkeit, Kohlenstoffionen zu fokussieren, wird untersucht, und eine einfache Methode zur Erzeugung quasi-monoenergetischer Kohlenstoffionen wird vorgestellt. Darüber hinaus gewährt diese Arbeit einen Einblick in die Prozesse, die mit der lasergestützten Ionenbeschleunigung und der Kontrolle der Teilchenstrahlen zusammenhängen. Zu diesem Zweck werden laserbeschleunigte Protonen verwendet, um die elektrischen Felder in lasergenerierten Plasmen abzutasten. Die zeitliche und räumliche Entwicklung elektrischer Felder auf der Oberfläche dünner Metallfolientargets und hohler Metallfolienzylinder wird untersucht. Da diese Felder imstande sind, Protonenstrahlen zu versetzen, zu kollimieren oder zu fokussieren, ist das Verständnis der räumlichen und zeitlichen Entwicklung dieser Felder für die Entwicklung kontrollierbarer Teilchenstrahlquellen von großer Bedeutung. Des Weiteren werden die Prozesse untersucht, die durch die Wechselwirkung von Hochleistungs-Kurzpulslasern mit Wassertröpfchen ausgelöst werden. Diese Wassertröpfchen sind Targets mit einer geringen Masse. In vorangegangenen Arbeiten wurde gezeigt, dass von diesen Targets quasi-monoenergetische Protonen und Deuteronen ausgehen können. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Experimente sollen die damit verbundenen Prozesse beleuchten. Die Interpretation der experimentellen Ergebnisse erfolgt mithilfe von Modellen und Simulationen. Ein Teilchenstrahl-Simulationsprogramm und die verwendeten Algorithmen zu Bildsynthese werden vorgestellt. Diese Algorithmen sind von generellem Interesse für Teilchensimulation und Bildverarbeitung.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	13.02.2009
Dateien geändert am:	11.02.2009
Promotionsantrag am:	18.12.2008
Datum der Promotion:	05.02.2009