Dokument: Investigation of ion acceleration from underdense targets using a high intensity short pulse laser

Titel:	Investigation of ion acceleration from underdense targets using a high intensity short pulse laser
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=45879
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180502-111830-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schroer, Anna-Marie [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 45,45 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 01.05.2018 / geändert 01.05.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	The focus of this thesis was the investigation of the ion acceleration from laser interactions with underdense gaseous targets. The experimental campaigns were performed at the ARCTURUS laser facility at Heinrich Heine University Düsseldorf. The capability of a double beam configuration allows the interaction of two high intensity (up to ~10^20 W/cm^2), ultrashort (~30 fs) laser pulses with a target. A third low intensity probe beam can be used for diagnostic purposes. The ion acceleration was studied in two main experimental setups. In both arrangements Hydrogen or Helium ions were accelerated up to 400 keV energy by a single or double beam interaction with a 1 mm gas target (0.01 n_c - 0.228 n_c). The major diagnostics were two Thomson parabola spectrometers to detect the ions and to resolve their energy distribution. Besides that, accelerated electrons were detected via another magnetic spectrometer. Additionally, the laser interactions were investigated at different times by optical shadowgraphy, interferometry and charged particle probing. Various ion acceleration mechanisms were discovered and novel monoenergetic features in the ion spectra and transitions between different acceleration regimes were observed. Ions were successfully accelerated in the transverse direction to the laser axis via Coulomb explosion (CE) by a single laser beam interaction of the Heater laser (2.4x10^19 W/cm^2, f/10 off-axis parabola (OAP)) with the gas target up to a density of 0.12 n_c. The interpretation is based on the experimental observations including additional diagnostics and numerical simulations. The conclusions about the acceleration mechanism are supported by analytical calculations. By adding a second beam, the Driver (1x10^20 W/cm^2, f/2 OAP), to the experimental arrangement in perpendicular direction to the Heater axis, the acceleration of ions was extended to high target densities (above 0.12 n_c). The acceleration was based on a TNSA-like mechanism of the Driver interacting with a pre-formed plasma of the Heater beam. By a Driver-only interaction with the target, no ions were detected. However, ions were successfully accelerated by the double laser beam interaction in the longitudinal direction of the Driver axis. Numerical simulations and analytical calculations indicated the TNSA-like acceleration mechanism. Finally, a stable, high repetition rate monoenergetic ion source was developed. The TNSA-like acceleration mechanism by the double beam interaction had to be adapted in order to generate a homogenous and directional electric field to accelerate narrowband ions. This regime was reached by a reduction of the intensity of the Heater beam (6.6x10^17 W/cm^2, f/25 OAP). A special preformed target was created and by means of certain laser and target specifications, monoenergetic ion features were detected. By small changes in the experimental parameters, broadband energy spectra were observed. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Ionenbeschleunigung aus verschiedenen Laserinteraktionen mit unterdichten gasförmigen Targets. Die experimentellen Kampagnen wurden in der ARCTURUS Laseranlage der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf durchgeführt. Die Möglichkeit der Zwei-Strahl-Konfiguration erlaubt die Interaktion zweier hoch intensiver (bis zu ~10^20 W/cm^2), ultrakurzer (~30 fs) Laserpulse mit einem Target. Ein dritter Laserstrahl mit niedriger Intensität kann zu Diagnosezwecken verwendet werden. Die Ionenbeschleunigung wurde in zwei verschiedenen Versuchsaufbauten untersucht. In beiden Anordnungen wurden Wasserstoff- oder Heliumionen durch eine Einzel- oder Doppelstrahl-Wechselwirkung mit einem 1 mm Gastarget (0.01 n_c - 0.228 n_c) auf 400 keV Energie beschleunigt. Zwei Thomson-Parabelspektrometer, die Hauptdiagnostiken, detektierten die Ionen und ihre Energieverteilung wurde aufgelöst. Zusätzlich wurden beschleunigte Elektronen über ein weiteres magnetisches Spektrometer detektiert. Außerdem wurden die Laserinteraktionen durch eine optische orts- und zeitaufgelöste Diagnostik untersucht und elektromagnetische Felder im Plasma wurden mittels eines Diagnostikstrahls bestehend aus geladenen Teilchen identifiziert. Verschiedene Ionenbeschleunigungsmechanismen wurden entdeckt und neuartige monoenergetische Merkmale in den Ionenspektren und Übergänge zwischen den verschiedenen Beschleunigungssystemen beobachtet. Zunächst wurden Ionen erfolgreich durch Coulomb-Explosion (CE) während einer Einzel-Laserstrahl Wechselwirkung des Heizlasers (2.4x10^19 W/cm^2, f/10 off-axis parabola (OAP)) mit dem Gastraget in Querrichtung der Laserachse beschleunigt bis zu einer Dichte von 0.12 n_c. Die Interpretation basiert auf den experimentellen Beobachtungen einschließlich zusätzlicher Diagnostiken und numerischer Simulationen. Die Schlussfolgerungen über den Beschleunigungsmechanismus werden durch analytische Berechnungen gestützt. Durch Hinzufügen eines zweiten Strahls, des Treibers (1x10^20 W/cm^2, f/2 OAP), in senkrechter Richtung der Heizlaserachse, wurde die Beschleunigung der Ionen bis zu hohen Targetdichten (über 0.12 n_c) verlängert. Die Beschleunigung basiert auf einem TNSA-artigen Mechanismus des Treibers, der mit einem durch den Heizstrahl vorgeformten Plasma wechselwirkt. Durch eine reine Treiber-Interaktion mit dem Target wurden keine Ionen detektiert. Die Ionen wurden jedoch erfolgreich durch die Doppellaserstrahl-Wechselwirkung in Längsrichtung der Treiberachse beschleunigt. Numerische Simulationen und analytische Berechnungen wiesen den TNSA-ähnlichen Beschleunigungsmechanismus hin. Schließlich wurde eine stabile monoenergetische Ionenquelle mit hoher Wiederholrate entwickelt. Der TNSA-ähnliche Beschleunigungsmechanismus durch die Doppelstrahl Wechselwirkung musste angepasst werden, um ein homogenes und gerichtetes elektrisches Feld zu erzeugen, um schmalbandige Ionen zu beschleunigen. Dieses Regime wurde durch eine Verringerung der Intensität des Heizstrahls erreicht (6.6x10^17 W/cm^2, f/25 OAP). Ein speziell vorgeformtes Target wurde entwickelt und mittels bestimmter Laser- und Targetspezifikationen wurden monoenergetische Ionenmerkmale detektiert. Durch kleine Änderungen der experimentellen Parameter wurden Breitband-Energiespektren beobachtet.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	02.05.2018
Dateien geändert am:	02.05.2018
Promotionsantrag am:	26.01.2018
Datum der Promotion:	27.04.2018