Dokument: Laser-Driven Ion Beam Characteristics and Dose Measurements for Medical Applications

Titel:	Laser-Driven Ion Beam Characteristics and Dose Measurements for Medical Applications
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=51540
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20191114-100306-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Spickermann, Sven [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,08 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.11.2019 / geändert 13.11.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibung:	Ultraintensive Laser-Plasma-Interaktionen bieten eine große Breite an interessanten Forschungsthemen, einschließlich Teilchenbeschleunigung aus überkritischen Targets. Die Optimierung der beschleunigten Teilchen für eine gegebene Anwendung ist eine komplexe Aufgabe, da Laser und Plasma einander während der Interaktion beeinflussen und diverse Prozesse miteinander konkurrieren. Eine solche Aufgabe ist die medizinische Anwendung von durch Laser-Plasma-Interaktionen beschleunigter Ionen. In dieser Arbeit wird ein Dosis-Depositions- und Messsystem für eine solche Anwendung eingeführt, einschließlich einer neuartigen Methode zur Bestimmung der Dosis. Es wird gezeigt, dass trotz recht hoher Schuss-zu-Schuss-Fluktuationen (≈ 70 %), die durchschnittliche Dosis mit einer Genauigkeit von 13 % bestimmt werden konnte. Außerdem wurden Laser-Plasma-Experimente mit zwei zueinander zeitlich verzögerten Strahlen durchgeführt, wobei die Zeitverzögerung bis zu einigen Nanosekunden betrug. Die Ionenanzahl als auch ihre Cutoff-Energien wurden gemessen und auf ihre Abhängigkeit von den Laser-Bedingungen und der zeitlichen Verzögerung hin untersucht, mithilfe eines im Rahmen dieser Arbeit gebauten Plasmaspiegels. Es konnte gezeigt werden, dass im Zweistrahlfall die Teilchenzahl gegenüber dem Einstrahlfall reduziert ist. Es wurden Simulationen durchgeführt, die dabei halfen, dieses überraschende Phänomen mit den kombinierten Laser-Vorpulsen beider Strahlen zu erklären. Weiterhin wurde festgestellt, dass die optimale Cutoff-Energie von der zeitlichen Verzögerung beider Strahlen abhängt und nicht im zeitlich synchronisierten Fall auftritt, sowie mit den Laserbedingungen variiert. Es wird gezeigt, dass diese Abhängigkeit sich mit einer erhöhten Effizienz von Resonanzabsorption erklären lässt, da die Skalenlänge mit zunehmender Expansion zunehmen. Target Normal Sheath Acceleration scheint eine wichtige Rolle bei den in Richtung der Targetnormalen beobachteten Spektren zu spielen, jedoch gibt es Anzeichen einer Abweichung von einer reinen TNSA-Interaktion im Zweistrahlfall. Ein sehr deutliches derartiges Anzeichen ist das Auftauchen quasi-monoenergetischer Peaks (mit einer Halbwertsbreite von etwa 10 %) in den Ionenspektren, die unter 10° zur rückwärtigen Targetnormalen gemessen wurden. Ein weiteres Anzeichen liegt in der Abhängigkeit der Zunahme der Cutoff-Energie im Zweistrahlfall relativ zum Einstrahlfall vom Ladungszustand der Ionen, was ebenfalls auf eine Abweichung von einer reinen TNSA-Interaktion hindeutet.
Quelle:	Ultraintense laser-plasma interactions offer a wide variety of interesting topics for research, among them particle acceleration from overdense targets. The optimization of the accelerated particles for a given application is a complex task, as laser and plasma influence one another during the interaction and numerous processes compete. One such task is the medical application of ions accelerated from laser-plasma interaction. A dose delivery and measurement system for such an application is presented in this thesis, including a novel method to determine the average dose. It is shown that while the shot to shot fluctuation of this system is quite high (≈ 70 %), the average dose could be determined with an accuracy of 13 %. In addition, laser-plasma interaction experiments with two beams were performed, with a time-delay between both beams of up to several nanoseconds. The ion numbers as well as their cutoff energies were measured and their dependence on laser conditions and time-delay were investigated with the help of a dedicated plasma mirror, built as part of this work. It is shown that in the two beam case the number of particles is reduced compared to the single beam case. Simulations have been performed, which helped explain this surprising phenomenon due to the effect of the combined laser-prepulses of both beams. It is also found that the optimal cutoff energy of ions depends on the temporal delay between two beams and does not occur in the synchronized case. It is found that this dependence can be explained by an increased efficiency of resonance absorption as the scale lengths increase along with a longer plasma expansion. While Target Normal Sheath Acceleration appears to play an important role in the observed spectra under 0°, there are indications of a deviation from a mere TNSA interaction in the two beam case. One very clear indication is the appearance of quasi-monoenergetic peaks (FWHM of about 10 %) in the ion spectra under 10° to the target rear side normal. Another indication for this is the dependence of the increase in cutoff energy in the two beam case relative to the single beam case on the ion charge state, which also points to a deviation from a pure TNSA interaction.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	14.11.2019
Dateien geändert am:	14.11.2019
Promotionsantrag am:	11.06.2019
Datum der Promotion:	08.11.2019