Dokument: Laser-Driven Proton Acceleration with Two Ultrashort Laser Pulses

Titel:	Laser-Driven Proton Acceleration with Two Ultrashort Laser Pulses
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34514
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150611-101451-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Böker, Jürgen [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 23,95 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 07.06.2015 / geändert 07.06.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Betreuer/Doktorvater] Univ.-Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter]
Stichwörter:	magnetic vortex, TNSA, multiple beams, ion acceleration
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Diese Arbeit beschreibt ein Laser-Teilchen-Beschleunigungs-Schema für Ionen, bei dem zwei ultrakurze Laserpulse mit sehr hoher Intensität benutzt werden. Die Skalierbarkeit des TNSA Mechanismus bei Einsatz von mehreren Strahlen und der Übergang des TNSA Mechanismus hin zu anderen Beschleunigungsmechanismen wird im Experiment und mit Hilfe von Simulationen untersucht. Die Arcturus Laser Anlage an der Heinrich Heine Universität Düsseldorf stellt zwei Laserpulse mit Pulslängen <30 fs bereit und erreichten so Intensitäten von 10^20 W/cm^2. Als Target wurde eine 5 um dicke Titanfolie verwendet, auf die die Strahlen unter einem Winkel von 0 Grad bzw. 40 Grad fokussiert wurden. Der Delay zwischen den beiden Pulsen wurde in einer ersten Schußserie in einem Bereich von +-200 fs verändert und in einer weiteren Serie in einem Bereich von einigen 10 Pikosekunden. Drei Regime wurden in Abhängigkeit des Delays zwischen den Pulsen beobachtet. Wenn beide Pulse synchron sind und die beiden Strahlen defokussiert sind, ergibt sich eine geringerer Protonenenergie im Vergleich zu Pulsen mit einem Delay von einigen 10 Femtosekunden. Das bemerkenswerte Ergebnis wird durch 2D PIC Simulationen bestätigt. Wenn der Delay vergrößert wird, erhält das Plasma und auch die Kontaminationsschicht Zeit sich thermisch auszudehnen und erhält bereits einen Impuls. Außerdem wird durch Vergrößerung des Delays auch das zeitliche Auftreten des ambiploaren Feldes vergrößert. Dadurch erhalten die schweren Ionen mehr Zeit zu beschleunigen. Das Ergebnis is konsistent mit dem Phänomen bei TNSA, dass längere Pulse gegenüber kürzeren Pulse vorteilhafter sind bei gleicher Intensität in Bezug auf die maximale Protonenenergie. Das zweite beobachtete Regime tritt auf bei fokussierten Strahlen und Pulsen mit einer zeitlichen Distanz von einigen 10 Femtosekunden. Eine Erhöhung der Protonenenergie im Vergleich zu Einzelstrahlschüssen wurde bei synchronen Pulsen beobachtet. Bei einer Erhöhung des Delays sinkt auch die maximale Protonenenergie. Das gleiche Verhalten wurde auch in 2D PIC Simulationen festgestellt. Das ambilpolare elektrische Feld bei synchronen Pulsen exisitiert länger. Dies wird durch eine resonant gesteigerte jxB Heizung hervorgerufen. Die Resonanz führt zu mehr heißen Elektronen, die zu dem ambipolaren elektrischen Feld beitragen. Das dritte Regime wurde für Delays von einigen 10 Pikosekunden beobachtet und zwar nur für Schüsse, bei denen Strahl I - mit senkrechtem Auftreffwinkel - der letzte Puls war. Das Plasma kann für einige 10 Pikosekunden expandieren bevor der zweite Puls mit dem Plasma wechselwirkt. Eine Erhöhung der maximalen Protonenenergie mit >5 MeV wurde gefunden. Der zweite Puls bewegt sich durch einen selbst erzeugten Hohlleiter und durchbricht schließlich die ursprünglich Folie in den freien Raum. Magnetische Wirbel treten auf. Elektronen bewegen sich um die Wirbel herum und unterstützen mit ihrem Strom die Magnetfelder. Ionen werden durch diese starken Magnetfelder beschleunigt. Auf Basis der PIC Simulationen werden die auftretenden Effekte durch einen analytischen Ansatz beschrieben. Das Modell gibt in sehr guter Übereinstimmung die maximale Protonenenergie der Simulationen und des Experiments wieder. This thesis describes a laser ion acceleration scheme where two ultrashort, high intensity laser pulses are used. The scalability of the TNSA acceleration mechanism with multiple beams and the transition beyond TNSA is examined experimentally and analyzed with the aid of simulations. The Arcturus laser facility at the Heinrich Heine University in Düsseldorf provides two <30 fs short pulses, so that the intensity of both beams was in the order of 10^20 W/cm^2. The target was a 5 um thick titanium foil, that the beams irradiated with an angle of incidence of 0deg and 40deg, respectively. The delay between the two pulses was varied in a first shot series in a range of +-200 fs and in a further shot series in a range of 10s of picoseconds. Three regimes were observed in dependence on the delay between the two pulses. If both pulses are synchronized and the beams are defocused, the resulting proton cut-off energy is lower compared to pulses that are delayed on a few 10s of femtoseconds. The remarkable result is confirmed by PIC simulations. As the delay is increased, the plasma and therewith the contamination layer thermally expands and gains some kinetic energy. Moreover, the duration of the appearance of the ambipolar electrical field is also increased by the delay. The heavy ions get more time for the acceleration. This result is consistent with the typically observed phenomenon with TNSA, that long pulses are more advantageous than short pulses with the same intensity for ion acceleration. The second regime is observed for focused beams and pulses, that are delayed by a few 10s of femtoseconds. An enhancement in the proton cut-off energy is found compared to single beam shots. The highest proton cut-off energy is observed for synchronized laser pulses and decreases for longer delays. The same behavior is confirmed by PIC simulations. The ambipolar electrical field for synchronized pulses is longer lasting. This is caused by a resonantly enhanced jxB heating. The resonance leads to more hot electrons, that contribute to the ambipolar electrical field. The last regime appears for delays in the range of 10s of picoseconds and only for shots where beam I - with normal incidence - is the later pulse. The plasma can expand for several 10s of picoseconds before the second pulse interacts with the plasma. An enhancement in the proton cut-off energy >5 MeV is found. The second pulse propagates through a self-formed waveguide and breaks through the former target into free-space. Two magnetic vortices appear. Electrons circulate around the vortices and support with their current the magnetic field. Ions are accelerated by these strong magnetic vortices. The effects are described by an analytic ansatz that is based on a PIC simulation. The model predicts the proton cut-off energy in very good agreement with the PIC simulation and the experiment.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	11.06.2015
Dateien geändert am:	11.06.2015
Promotionsantrag am:	27.01.2015
Datum der Promotion:	24.04.2015