Dokument: Ultrahigh energy density physics and ion acceleration in nano- and microstructures

Titel:	Ultrahigh energy density physics and ion acceleration in nano- and microstructures
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=52410
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200227-152202-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M. Sc. Kaymak, Vural [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 86,70 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 27.02.2020 / geändert 27.02.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter] Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter] Prof. Dr. Kaluza, Malte [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die jüngsten Fortschritte in der Konstruktion von nanostrukturierten Materialien und ihre vielversprechenden Eigenschaften, die in zahlreichen Studien zutage treten, motivieren ihre umfassende Untersuchung. Insbesondere in Nanodrähten wurde eine signifikant erhöhte Absorption von Laserlicht festgestellt, die sie zu leistungsstarken Kandidaten für die Verwendung als Röntgenquellen und in Bereichen wie der Physik von hohen Energiedichten, nuklearer Fusion und der Teilchenbeschleunigung machen. In dieser Dissertation werden die verschiedenen Anwendungsbereiche von Nanodrähten in Laser-Plasma-Wechsel-wirkungen in Form von PIC Simulationen beleuchtet. Der Großteil dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen ausgeführt. Zuerst wird die Ionisationsdynamik in Kohlenstoffnanodrähten analysiert. An den Oberflächen der Targets findet optische Feldionisation statt. Anschließend führt Stoßionisation zu der Ionisation des Inneren der Nanodrähte. Die Targets sind in einigen Laserzyklen vollständig ionisiert. Als Nächstes wird das Auftreten des Z-Pinch-Effektes in den Nanodrähten untersucht. Es stellt sich heraus, dass die Laserwelle starke Ströme und dadurch ein azimutales Magnetfeld induziert, das wiederum die Nanodrähte komprimiert. In diesem Prozess werden enorm hohe Teilchendichten, Temperaturen und Werte im Regime ultrahoher Energiedichten erzeugt. Ein verwandter Parameter, um die im Material deponierte Laserenergie zu charakterisieren, ist die Aufheiztiefe. Wir führen PIC Simulationen durch, die mit den experimentellen Ergebnissen unserer Kollegen an der Colorado State University übereinstimmen, welche eine Aufheiztiefe von mindestens vier Mikrometern ergeben. Folglich extrapolieren wir mit unseren Simulationen zu höheren Laserintensitäten, welche enorme Drücke prognostizieren, die sogar die Werte in Experimenten mit sphärischer Kompression übersteigen. Das tiefe Eindringen in das mit Nanodrähten beschichtete Material bedeutet gleichzeitig, dass ein großes Materialvolumen bei annähernd Festkörperdichte aufgeheizt werden kann. Dies wiederum ist eine wichtige Bedingung für effiziente Röntgenstrahlung aus heißen Plasmen. Wir untersuchen diese Eigenschaft, indem wir numerische PIC Simulationen durchführen, welche anschließend von unseren Partnern verwendet werden, um hydrodynamische Simulationen auszuführen. Es stellt sich heraus, dass Nanodrähte im Vergleich zu flachen Targets signifikant bessere Röntgenquellen sind. Die Simulationen werden auch für die Modellierung der Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen unserer Kollaborateure verwendet, welche einen Rekordwert für die Umwandlungseffizienz von Laserenergie zu pikosekunden langen Röntgenpulsen erreichen. Das effiziente Aufheizen von Plasmen wird auch in Bezug auf das mögliche Vorkommen von Fusionsreaktionen studiert. Unsere Kollegen haben in Experimenten einen Rekordwert für Neutronenpulse gemessen, der sich auf das effiziente Antreiben von nuklearer Fusion zurückführen lässt. Dieses Ergebnis hat uns veranlasst, numerische Simulationen durchzuführen, welche auf energetische Deuteronen als Ursache hinweisen. Das Anwenden von höheren Bestrahlungsintensitäten prognostiziert eine Zunahme der D-D Fusionsreaktionen. Weiterhin wird der Einfluss untersucht, der entsteht, wenn die Laserwellenlänge vom UV zum mittleren Infrarot verändert wird, da eine größere Wellenlänge die benötigte Intensität für das relativistische Regime reduziert und störendes Vorheizen des Plasmas verringert. Wir haben PIC Simulationen ausgeführt, welche von unseren Partnern aus Jena für die Berechnung von numerischen Emissionsspektren verwendet werden, um die in ihren Experimenten ermittelten Ergebnisse zu bestätigen. Unsere Simulationen ergeben eine hohe Laserlichtabsorption von etwa 80 %, die zu langlebigen keV-Plasmatemperaturen und Ionen in hohen Ladungszuständen führt. Ferner wird die Fähigkeit der Nanodraht-Targets zu verstärkter Protonenbeschleunigung erforscht. Von uns durchgeführte dreidimensionale PIC Simulationen dienen unseren Partnern von der University of Michigan und der Colorado State University dazu, ihre zweidimensionalen PIC Berechnungen zu bestätigen. Diese Ergebnisse werden von ihnen eingesetzt, um ihre experimentellen Ergebnisse zu modellieren. Die Anzahl an Nanodrähten pro Laserfokus wird als der entscheidende Faktor für eine effiziente Laser-Plasma-Wechselwirkung und somit für verbesserte Protonenbeschleunigung identifiziert. Die Ionenbeschleunigung wird auch in einer ultradünnen Folie mit eingestanzten Halbkugeln untersucht, in der neben des Target Normal Sheath Acceleration Mechanismus die Radiation Pressure Acceleration einen wesentlichen Einfluss hat. Unsere PIC Simulationen zeigen zusammen mit den experimentellen Ergebnissen unserer Kollegen von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf, dass das eingesetzte Target in der Lage ist, unter Verwendung von Laserpulsen von nur einigen Joule, Protonenenergien vergleichbar zu denen in großen Lasersystemen zu erzielen. The recent progress in the engineering of nanostructured materials and their promising features that come to light in numerous studies motivates their extensive investigation. Particularly nanowires have been shown to significantly enhance the absorption of laser light and consequently are potent candidates for the utilization as x-ray emitters and in fields such as high energy density physics, nuclear fusion and particle acceleration. In this thesis, the different applications of nanowire targets in laser-plasma interactions are illuminated by using PIC simulations. The major part of this work was conducted in a collaboration with experimental groups. First, the ionization dynamics in carbon nanowires is analyzed. Optical field ionization takes place at the surfaces of the targets. Subsequently, impact ionization leads to ionization of the nanowire cores. The targets are fully ionized in a few laser cycles. Next, the occurrence of the Z-pinch in nanowires is investigated. It is seen that the laser light produces strong return currents, thereby generating an azimuthal magnetic field that in turn compresses the nanowires. In this process, tremendously high particle densities, temperatures and values in the ultrahigh energy density regime are produced. One related parameter for quantifying the deposited laser energy into the target is the penetration depth of the heat. We conduct PIC simulations, which agree with the experimental results obtained by our collaborators at the Colorado State University, yielding a heating depth of at least four micrometers. We then use our numerical simulations to extrapolate to higher laser intensities. The results predict enormous pressures, exceeding even those produced in experiments that use spherical compression. The deep penetration depth in the nanowire material also means that a large volume of near-solid matter is subject to heating. This, on the other hand, is a key requirement for the efficient emission of x-ray pulses from heated plasmas. We investigate this advantageous feature numerically by performing PIC simulations, which are used by our colleagues to conduct hydrodynamic simulations. It is found that nanowires are significantly more efficient x-ray emitters compared to flat targets. The simulations are also used to model the results of our partners' experimental findings, which obtain a record conversion efficiency of laser energy into picosecond x-ray pulses. The efficient plasma heating is also studied with regard to a possible occurrence of fusion reactions. Our partners have conducted experiments and detected a record value of neutrons per pulse, implying an efficient drive of nuclear fusion. Motivated by these findings, we carry out numerical PIC simulations, which reveal the creation of energetic deuterons that enable the fusion reactions. Simulations at higher irradiation intensities predict a further increase of D-D fusion reactions. Next, the impact of changing the laser wavelength from UV to midinfrared is examined. A longer wavelength relaxes the laser intensity requirement to access the relativistic regime and reduces disruptive preplasma formation. We perform PIC computations, which are used by our collaborators in Jena to produce synthetic emission spectra in order to confirm the results obtained by their experiments. Our simulations obtain a high laser light absorption of about 80 %, producing long-lasting keV-level plasma temperatures and highly charged ions. The nanowire target parameters are evaluated also with respect to an enhanced proton acceleration. We carry out three-dimensional PIC simulations, which are used by our partners at the University of Michigan and the Colorado State University to validate their two-dimensional PIC calculations. These results are utilized to model experiments performed by our colleagues. The number of nanowires per focal spot is identified to be the crucial factor for an efficient laser-plasma interaction and thus for an improved proton acceleration. The ion acceleration is also studied in an ultrathin foil with stamped hemispherical shells, in which besides the target normal sheath acceleration mechanism the radiation pressure acceleration becomes significant. Along with experimental results of our collaborators at the Heinrich-Heine-University in Düsseldorf, our PIC simulations prove that these targets are able to produce proton energies comparable to those achieved in large laser systems by only using joule-level laser pulses.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	27.02.2020
Dateien geändert am:	27.02.2020
Promotionsantrag am:	10.10.2019
Datum der Promotion:	12.12.2019