Dokument: Ultrafast Laser Driven Micro-Lens to Focus and Energy Select MeV Protons

Titel:	Ultrafast Laser Driven Micro-Lens to Focus and Energy Select MeV Protons
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=9704
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20081201-150002-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Toncian, Toma [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 23,34 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 27.11.2008 / geändert 27.11.2008
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Prof. Dr. Spatschek, Karl-Heinz [Gutachter]
Stichwörter:	laser,proton,generation,focussing,lens,micro-lens
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	A technique for simultaneous focusing and energy selection of high-current, MeV proton beams using radial, transient electric fields (10e7-10e10 V/m) triggered on the inner wall of a hollow micro-cylinder by an intense, sub-picosecond laser-pulse is presented. Due to the transient nature of the radial focusing field, the proposed method allows selection of a desired range out of the spectrum of the poly-energetic proton beam. This technique addresses current drawbacks of laser-accelerated proton beams, i.e. their broad spectrum and divergence at the source. This thesis presents both experimental and computational studies that led to the understanding of the physical processes driving the micro-lens. After an one side irradiation of a hollow metallic cylinder a radial electric field develops inside the cylinder. Hot electrons generated by the interaction between laser pulse and cylinder wall spread inside the cylinder generating a plasma at the wall. This plasma expands into vacuum and sustains an electric field that acts as a collecting lens on a proton beam propagating axially through the cylinder. Both focusing and the reduction of the intrinsic beam divergence from 20 deg to .3 deg for a narrow spectral range was demonstrated. By sub-aperturing the beam a narrow spectral range was selected from the poly-energetic beam. The micro-lens properties are tunable allowing for optimization towards applications. Optical probing techniques and proton imaging were employed to study the spacial and temporal evolution of the field and revealed a complex physical scenario of the rise and decay of the radial electric field. Each aspect studied experimentally is interpreted using 2D PIC and ray tracing simulations. A very good agreement between the experimental and computational data is found. The PIC simulations are used to upscale the demonstrated micro-lens capabilities to the focusing of a 270 MeV proton beam, an energy relevant for medical applications such as the hadron therapy of deep-seated tumours. Eine Technik zur gleichzeitigen Fokussierung und Energieselektion eines hoch strömigen MeV Protonenstrahls durch kurzlebige radiale elektrische Felder (10$^7$-10$^{10}$ V/m), die an der Innenfläche eines hohlen Mikrozylinders durch einen intensiven subpikosekunden Laserstrahl erzeugt werden, wird in dieser Arbeit vorgestellt. Auf Grund der Kurzlebigkeit der Felder kann die Methode zur Selektion eines beliebigen Ausschnitts aus dem Energiesspektrum eines polyenergetischen Protonenstrahls eingesetzt werden. Diese Technik wirkt den aktuellen Nachteilen der lasererzeugten Protonenstahlen, wie ein breites Spektrum und der Divergenz der Quelle, entgegen. Diese Arbeit stellt sowohl experimentelle als auch rechnerunterstützte Untersuchungen, welche zum Verständnis der physikalischen Prozesse der Mikrolinse führen, vor. Nach einer einseitigen Bestrahlung eines metallischen Hohlzylinders wird im Innern ein radiales elektrisches Feld erzeugt. Die bei der Wechselwirkung zwischen Laserpuls und Zylinder erzeugten heissen Elektronen verteilen sich an der Zylinderwand und erzeugen dabei ein Plasma. Das Plasma expandiert ins Vakuum und hält ein elektrisches Feld aufrecht, welches auf einen durch den Zylinder axial propagierenden Protonenstahl wie eine Sammellinse wirkt. Sowohl die Fokussierung als auch die Reduzierung der intrinsischen Strahldivergenz von 20 Grad auf 0.3 Grad eines schmalen spektralen Bereiches werden gezeigt. Mit Hilfe einer Blende konnte aus dem polyenergetischen Strahl ein schmaler spektraler Bereich ($\delta \mathcal{E}/\mathcal{E}< 3\%$) selektiert werden. Die Eigenschaften der Mikrolinse sind variabel einstellbar und ermöglichen Optimierungen für mögliche Anwendungen. Mit dem Einsatz optischer Diagnostiken als auch von Proton Imaging konnte die räumliche und zeitliche Entwicklung des Feldes untersucht werden. Dabei ergab sich ein komplexes physikalisches Szenario des Aufbaus und des Zerfalls des radialen Feldes. Jeder experimentell untersuchte Aspekt wurde mit Hilfe von 2D PIC und ray tracing Simulationen interpretiert. Eine sehr gute Übereinstimmung von Experiment und Simulation wurde gefunden. Die PIC Simulationen wurden verwendet um die Praxistauglichkeit der Mikrolinse beim Einsatz eines 270 MeV Protonenstahls zu zeigen. Diese Protonenenergie ist für medizinische Anwendungen, wie die Schwerionentherapie von Tumoren, von hoher Bedeutung.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	01.12.2008
Dateien geändert am:	27.11.2008
Promotionsantrag am:	06.05.2008
Datum der Promotion:	03.11.2008