Advanced

Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and X-ray Production

Genoud, Guillaume LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling ger en introduktion till laser-plasma acceleratorer, vilket även utgör ämnet för de vetenskapliga artiklar som ingår i avhandlingen. Det är en ny typ av acceleratorer som utnyttjar mycket kraftfulla lasrar för att accelerera elektroner och protoner. Partikelacceleratorer används för att ge partiklar hög rörelseenergi, vilket kan utnyttjas för många olika tillämpningar, t.ex. inom medicin, och för att generera intensiv röntgenstrålning. Vanliga partikelacceleratorer är baserade på elektriska fält i kaviteter av metall, som endast tål begränsade fältstyrkor. De måste därför göras väldigt långa för att riktigt höga partikelenergier ska kunna uppnås. Av den anledningen är antalet... (More)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling ger en introduktion till laser-plasma acceleratorer, vilket även utgör ämnet för de vetenskapliga artiklar som ingår i avhandlingen. Det är en ny typ av acceleratorer som utnyttjar mycket kraftfulla lasrar för att accelerera elektroner och protoner. Partikelacceleratorer används för att ge partiklar hög rörelseenergi, vilket kan utnyttjas för många olika tillämpningar, t.ex. inom medicin, och för att generera intensiv röntgenstrålning. Vanliga partikelacceleratorer är baserade på elektriska fält i kaviteter av metall, som endast tål begränsade fältstyrkor. De måste därför göras väldigt långa för att riktigt höga partikelenergier ska kunna uppnås. Av den anledningen är antalet acceleratorer som kan accelerera partiklar till de mycket höga energier som behövs för studier av elementarpartikelfysik och för att producera intensiv röntgenstrålning, av kostnadsskäl begränsat. Acceleratorer som baseras på laserproducerade plasmer fungerar helt annorlunda. Med dessa kan elektroner accelereras på betydligt kortare sträckor , och dessutom producera röntgenstrålning på samma gång. Det innebär att man eventuellt kommer att kunna bygga mycket kompakta acceleratorer och röntgenkällor för olika tillämpningar i framtiden.



De laserpulser som utnyttjas för experimenten som beskrivs i denna avhandling har mycket hög toppeffekt. Varje ljuspuls har ca en joule energi, men varar endast i ca 30 femtosekunder (1 fs=10^-15 s). Toppeffekten i varje puls blir på så vis mycket hög, av storleksordningen tiotals terawatt (10^12 W). När dessa ljuspulser fokuseras till en liten fläck, eller strålmidja, med en diameter om endast några få mikrometer, blirev ljusintensiteten där extremt hög. Materia som utsätts för så starkt ljus joniseras redan under ljuspulsens stigtid, så att ett plasma bildas. Ett plasma är ungefär som en gas av positivt laddade joner och negativt laddade elektroner som rör sig fritt relativt varandra. Toppen av ljuspulsen växelverkar alltså med fria laddningar. Den kan driva kollektiva rörelser hos de lätta elektronerna, medan de betydligt tyngre jonerna kan betraktas som opåverkade under den korta tid laserpulsen växelverkar med plasmat. Det visar sig att en intensiv laserpuls som passerar genom ett tunt plasma trycker undan elektroner och skapar en våg bakom sig, ungefär på samma vis som en båt på en sjö. Den variation i elektrontäthet som vågen utgör leder till starka elektriska fält, riktade i vågens utbredningsriktning. Ljuspulsens elektromagnetiska fält, som svänger vinkelrätt mot utbredningsriktningen, har alltså i plasmat omvandlats till ett longitudinellt fält som följer vågen, med ljuspulsen hastighet. Fältstyrkor av storleksordningen 100 gigavolt per meter (GV/m) kan skapas, vilket är många storleksordningar högre än vad som kan åstadkommas med konventionell teknik. Där är styrkan på de elektriska fälten begränsad på grund av risken för elektriska överslag i kaviteterna. I vårt fall existerar inte denna risk, eftersom vi redan är i ett joniserat medium. De longitudinella fälten i plasmat lämpar sig för att accelerera laddade partiklar. Speciellt elektroner kan fångas av vågen och accelereras till hundratals mega-elektronvolt (MeV) på bara några få mm, ungefär som en surfare på en våg på havet. Som en konsekvens av den extrema styrkan i det elektriska fältet kan accelerationssträckan vara mycket kort.



Förutom de longitudinella elektriska fälten förekommer även transversella fält, vilket gör att elektroner som accelereras i framåtriktningen samtidigt svänger vinkelrätt mot denna. De svängande elektronerna skickar då ut elektromagnetisk strålning i framåtriktningen, på samma vis som elektronerna i en undulator eller wiggler vid en konventionell synkrotronljusanläggning. Strålningen som har studerats och diskuteras i denna avhandling ligger inom energiområdet 1-10 kiloelektronvolt (keV). Denna, i framtiden ännu hårdare röntgenstrålning, kan komma att visa sig användbar för en rad intressanta tillämpningar. Såväl elektron- som röntgenpulserna har speciella egenskaper på grund av att de inblandade processerna sker på så extremt liten skala. Pulserna blir mycket korta (av storleksordningen 10 fs) och strålkällan får ytterst liten utbredning, endast ett fåtal mikrometer. Denna nya strålningskälla har därför stor potential för tidsupplösta studier.



Bland de experiment som beskrivs i denna avhandling har användningen av kapillärrör av glas undersökts som en metod för att förlänga accelerationssträckan genom att leda laserpulserna genom röret och på så vis motverka diffraktion. Plasmavågor som utbredde sig över flera cm inne i dylika rör kunde produceras och karaktäriseras. Dessutom studerades elektroner som accelererats och röntgenstrålning som genererats inne i rören. Vi fann då att det är möjligt att fånga och accelerera elektroner med lägre laserintensitet än utan kapillärrör. Parallellt med dessa studier utvecklades och installerades ett aktivt reglersystem för att förbättra laserstrålens riktningsstabilitet, vilket visade sig vara väsentligt för experiment med kapillärer. I andra studier modifierades fokusfläckens form på ett kontrollerat sätt med hjälp av adaptiv optik. Genom att lägga till aberrationen koma kunde fläcken göras asymmetrisk på ett systematiskt och välbestämt sätt. Detta visade sig leda till mer divergenta elektronpulser, men samtidigt hårdare röntgenstrålning. Detta följer av att elektronerna på grund av asymmetrin i fokus fås att svänga med större amplitud kring utbredningsriktningen. Genom att i stället lägga till sfärisk aberration kunde inverkan av strålmidjans form på vågens förmåga att fånga och accelerera elektroner studeras.



Joner kan också accelereras med lasrar med hög intensitet. Då utnyttjas ett fast strålmål, vanligtvis en tunn metallfolie med endast några mikrometers tjocklek. När laserpulsen växelverkar med det täta plasma som bildas på strålmålet, trycks elektroner genom folien till baksidan där de expanderar ut i vakuum, varvid ett extremt starkt elektrostatiskt fält skapas. Detta fält är riktat vinkelrätt mot ytan och kan nå en styrka av storleksordningen teravolt per meter (TV/m). Protoner och andra joner, till exempel från vattenmolekyler eller föroreningar på foliens baksida, kan accelereras i dessa fält till flera MeV på bara några få mikrometers accelerationssträcka. Två olika sätt att öka, eller modifiera, energifördelningen hos laseraccelererade protoner utan att öka lasereffekten presenteras i denna avhandling. Först visade vi hur 100 fs långa förpulser, vid rätt vald tid, kunde förbättra absorptionen av huvudpulsen och därmed öka effektiviteten. Sedan visade vi att ihåliga mikrosfärer kan vara intressanta som strålmål vid protonacceleration. Dessa möjliggör nämligen att elektroner som inte direkt bidrar till acceleration, utan sprids transversellt på ytan, kan bidra till acceleration när de möts på sfärens motsatta sida och där etablerar ett andra accelerationsfält. (Less)
Abstract
This thesis presents experimental results related to laser plasma accelerators. These rely on very different principles from conventional particle accelerators. They are able to accelerate particles over a very short distance and produce synchrotron x-rays at the same time, potentially providing a compact particle accelerator and x-ray source for many future applications.



The laser pulses used in the experiments reported in this thesis were extremely powerful (TW) and when focused, intensities as high as 10^20 W/cm^2 were achieved. When matter is exposed to such high intensities, it becomes a plasma, and collective motion of electrons is possible. The laser pulse "ploughs" through the plasma creating a plasma wave behind... (More)
This thesis presents experimental results related to laser plasma accelerators. These rely on very different principles from conventional particle accelerators. They are able to accelerate particles over a very short distance and produce synchrotron x-rays at the same time, potentially providing a compact particle accelerator and x-ray source for many future applications.



The laser pulses used in the experiments reported in this thesis were extremely powerful (TW) and when focused, intensities as high as 10^20 W/cm^2 were achieved. When matter is exposed to such high intensities, it becomes a plasma, and collective motion of electrons is possible. The laser pulse "ploughs" through the plasma creating a plasma wave behind it, very much like a boat at sea. The perturbation in electron density caused by the wave produces strong longitudinal electric fields, travelling at the same speed as the laser pulse. These fields can then be used to accelerate electrons to hundreds of MeV in only a few mm. In addition to longitudinal electric fields, transverse fields are also produced, which can make the electrons "wiggle" transversely and emit x-rays. In a related process, heavy ions can also be accelerated by high-intensity lasers, when interacting with a solid target.



In the experimental work reported in this thesis, the use of dielectric capillary tubes was explored in order to increase the accelerating length by externally guiding the laser pulse and counteracting diffraction. Linear plasma waves over several centimetres were produced and characterised. Electron beams and x-rays produced in dielectric capillary tubes were also studied, where it was found that it was possible to trap electrons even at a low initial laser intensity. An active stabilisation system was developed in parallel to improve the pointing of the laser system, as the dielectric capillaries are very sensitive to pointing fluctuation. The laser focal spot was modified in a controlled way using adaptive optics. By adding coma aberration, the focal spot could be made asymmetric and the x-ray emission enhanced, as the electrons oscillate with a greater amplitude. Adding spherical aberration allowed the effect of the quality of the focal spot on the wavebreaking threshold to be studied. A simple model predicting whether or not the plasma wave breaks was developed by varying the laser energy and pulse duration.



Two ways of increasing or modifying the proton energy distribution without increasing the laser power are also presented in this thesis. The absorption of the main laser pulse was improved and the proton energy increased by using a 100 fs long laser prepulse. Finally, hollow microspheres were used as targets, which allowed for "recycling" of the laterally spreading electrons to establish a new accelerating field that could accelerate the protons once more. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. Hooker, Simon, Clarendon Laboratory, University of Oxford, Oxford, United Kingdom
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Laser plasma acceleration of electrons and protons, laser-wakefield acceleration, plasma waves, plasma-wiggler radiation, betatron radiation, laser guiding, laser pointing stabilisation
pages
214 pages
defense location
Lecture hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2011-09-30 10:15
ISSN
0281-2762
ISBN
978-91-7473-164-4
language
English
LU publication?
yes
id
ba25cebe-27f9-4040-aa73-dfccd59e27b7 (old id 2154401)
date added to LUP
2011-09-07 07:16:10
date last changed
2016-09-19 08:45:00
@misc{ba25cebe-27f9-4040-aa73-dfccd59e27b7,
  abstract     = {This thesis presents experimental results related to laser plasma accelerators. These rely on very different principles from conventional particle accelerators. They are able to accelerate particles over a very short distance and produce synchrotron x-rays at the same time, potentially providing a compact particle accelerator and x-ray source for many future applications.<br/><br>
<br/><br>
The laser pulses used in the experiments reported in this thesis were extremely powerful (TW) and when focused, intensities as high as 10^20 W/cm^2 were achieved. When matter is exposed to such high intensities, it becomes a plasma, and collective motion of electrons is possible. The laser pulse "ploughs" through the plasma creating a plasma wave behind it, very much like a boat at sea. The perturbation in electron density caused by the wave produces strong longitudinal electric fields, travelling at the same speed as the laser pulse. These fields can then be used to accelerate electrons to hundreds of MeV in only a few mm. In addition to longitudinal electric fields, transverse fields are also produced, which can make the electrons "wiggle" transversely and emit x-rays. In a related process, heavy ions can also be accelerated by high-intensity lasers, when interacting with a solid target.<br/><br>
<br/><br>
In the experimental work reported in this thesis, the use of dielectric capillary tubes was explored in order to increase the accelerating length by externally guiding the laser pulse and counteracting diffraction. Linear plasma waves over several centimetres were produced and characterised. Electron beams and x-rays produced in dielectric capillary tubes were also studied, where it was found that it was possible to trap electrons even at a low initial laser intensity. An active stabilisation system was developed in parallel to improve the pointing of the laser system, as the dielectric capillaries are very sensitive to pointing fluctuation. The laser focal spot was modified in a controlled way using adaptive optics. By adding coma aberration, the focal spot could be made asymmetric and the x-ray emission enhanced, as the electrons oscillate with a greater amplitude. Adding spherical aberration allowed the effect of the quality of the focal spot on the wavebreaking threshold to be studied. A simple model predicting whether or not the plasma wave breaks was developed by varying the laser energy and pulse duration.<br/><br>
<br/><br>
Two ways of increasing or modifying the proton energy distribution without increasing the laser power are also presented in this thesis. The absorption of the main laser pulse was improved and the proton energy increased by using a 100 fs long laser prepulse. Finally, hollow microspheres were used as targets, which allowed for "recycling" of the laterally spreading electrons to establish a new accelerating field that could accelerate the protons once more.},
  author       = {Genoud, Guillaume},
  isbn         = {978-91-7473-164-4},
  issn         = {0281-2762},
  keyword      = {Laser plasma acceleration of electrons and protons,laser-wakefield acceleration,plasma waves,plasma-wiggler radiation,betatron radiation,laser guiding,laser pointing stabilisation},
  language     = {eng},
  pages        = {214},
  title        = {Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and X-ray Production},
  year         = {2011},
}