Dokument: Polarized Proton Beams from Laser-induced Plasmas
| Titel: | Polarized Proton Beams from Laser-induced Plasmas | |||||||
| Weiterer Titel: | Polarisierte Protonenstrahlen aus Laser-induzierten Plasmen | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=57161 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20210819-140825-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Hützen, Anna [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Büscher, Markus [Gutachter] Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | laser-driven plasma accelerator, polarized particle beams, PIC simulations, laser-plasma interactions, high power laser | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Within the scope of this thesis, a scheme for the experimental realizability of spin-polarized laser-driven proton acceleration has been worked out, involving extensive 3D Particle-In-Cell (PIC) simulations incorporating spin dynamics as well as the setup and commissioning of a polarized target.
3D PIC simulations including spin effects have been performed on the Jülich supercomputer JURECA to numerically predict the degree of beam polarization from a laser-driven plasma accelerator for the first time. To do so, the Thomas-Bargmann-Michel-Telegdi (T-BMT) equation characterizing the spin precession in arbitrary electromagnetic fields has been implemented in the Virtual Laser Plasma Lab (VLPL) code. Analytical estimates show that the Sokolov-Ternov effect and the Stern-Gerlach (SG) effect have negligible influence on the spin dynamics in laser-induced proton acceleration. The simulation work includes a set of several studies clarifying which laser and target configurations, as well as which acceleration mechanisms, result in acceleration energies in the MeV range at preferably high beam polarization. A crucial result of these simulations is that under near-experimental conditions in a multi-PW laser intensity regime, an energy of about 100 MeV can be achieved by a two-stage acceleration in gas, while maintaining the polarization at a degree of up to ∼ 80 %. Thus, to produce polarized proton beams, the proton spins must already be aligned before the acceleration process, as further simulations demonstrate. This requires a pre-polarized gas target to be experimentally implemented in a setup suitable for laser-plasma acceleration. Following the studies published by the group of T. P. Rakitzis from University of Crete, a gas-jet target, based on the dynamic polarization of hydrogen halides, i.e., HCl or HBr gas, has been designed from scratch and commissioned. Applying a non-magnetic nozzle with a high-speed piezo valve, the gas is injected into an interaction chamber to create a gas density in the range of approximately 10^(19) cm^(-3). The interaction of the fundamental wavelength of the JuSPARC_Mira Nd:YAG laser system and its circularly polarized fifth harmonic with the gas generates spin-polarized hydrogen atoms in a photo-dissociation process. Due to hyperfine-structure oscillations the polarization is transferred between the electrons and protons within 350 ps. First measurements on their nuclear polarization have been carried out with a Lamb-Shift Polarimeter (LSP). Proof-of-principle demonstrations for the first-time detection of laser-accelerated polarized proton beams in the 100 MeV range are now being prepared for the 10 PW laser at Shanghai super-intense Ultrafast Laser Facility (SULF). Based on the gained experience with protons, a concept for the generation of polarized electron beams via plasma wakefield acceleration has been developed, with the long-term goal to pave the way towards a polarized multi-GeV electron-positron collider.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept zur experimentellen Realisierung der lasergetriebenen Beschleunigung spinpolarisierter Protonen erarbeitet. Dieses umfasst neben umfangreichen 3D Particle-In-Cell (PIC)-Simulationen einschließlich Spindynamik auch den Aufbau und die Inbetriebnahme eines polarisierten Targets. Zur erstmaligen numerischen Vorhersage des Grades der Strahlpolarisation eines lasergetriebenen Plasmabeschleunigers wurden 3D PIC-Simulationen unter Berücksichtigung von Spineffekten auf dem Jülicher Supercomputer JURECA durchgeführt. Dazu wurde die Thomas-Bargmann-Michel-Telegdi (T-BMT)-Gleichung, die die Spinpräzession in elektromagnetischen Feldern beschreibt, in den Virtual Laser Plasma Lab (VLPL)-Code implementiert. Analytische Abschätzungen zeigen, dass der Sokolov-Ternov-Effekt und der Stern-Gerlach (SG)-Effekt einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Spindynamik bei der laserinduzierten Protonenbeschleunigung haben. Die Simulationsarbeiten beinhalten mehrere Studien, anhand derer untersucht wurde, welche Laser- und Targetkonfigurationen, sowie welche Beschleunigungsmechanismen zu Energien im MeV-Bereich bei möglichst hoher Strahlpolarisation führen. Ein wesentliches Ergebnis dieser Simulationen ist, dass, unter experimentnahen Voraussetzungen im Intensitätsregime eines Multi-PW-Lasers, eine Energie von etwa 100 MeV durch eine zweistufige Beschleunigung in Gas bei einem Polarisationsgrad von bis zu ∼ 80 % erreicht werden kann. Insbesondere zeigen die Simulationen, dass die Protonenspins bereits vor dem Beschleunigungsprozess ausgerichtet sein müssen, um polarisierte Protonenstrahlen zu erzeugen. Dies erfordert ein vorpolarisiertes Gastarget, das in einem für die Laser-Plasma-Beschleunigung geeigneten Aufbau experimentell realisiert wurde. In Anlehnung an die Arbeiten der Gruppe von T. P. Rakitzis von der Universität Kreta wurde ein Gastarget, basierend auf der dynamischen Polarisation von Halogenwasserstoffen, hier HCl-und HBr-Gas, von Grund auf neu konzipiert und in Betrieb genommen. Unter Verwendung einer nicht-magnetischen Gasdüse mit einem Hochgeschwindigkeits-Piezoventil wird das Gas in eine Interaktionskammer injiziert, wobei eine Gasdichte von etwa 10^(19) cm^(-3) erzielt wird. Durch die Wechselwirkung der Fundamentalwellenlänge des JuSPARC_Mira Nd:YAG-Lasersystems und seiner zirkular polarisierten fünften Harmonischen mit dem Gas werden spinpolarisierte Wasserstoffatome mittels Photodissoziation erzeugt. Infolge von Hyperfeinstruktur-Oszillationen wird die Polarisation zwischen den Elektronen und Protonen binnen 350 ps übertragen. Erste Messungen zu ihrer Kernpolarisation wurden mit einem Lamb-Shift Polarimeter (LSP) durchgeführt. Machbarkeitsstudien zum erstmaligen Nachweis von laserbeschleunigten polarisierten Protonenstrahlen im 100 MeV-Bereich werden nun für den 10 PW Laser der Shanghai super-intense Ultrafast Laser Facility (SULF) vorbereitet. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen mit Protonen wurde abschließend ein Konzept zur Erzeugung von polarisierten Elektronenstrahlen mittels Plasma-Wakefield-Beschleunigung ausgearbeitet, mit dem langfristigen Ziel, einen polarisierten Multi-GeV Elektron-Positron-Collider zu entwickeln. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 19.08.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 19.08.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 02.03.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 16.07.2021 |
