Laser-Driven Particle Acceleration - Improving Performance Through Smart Target Design

Abstract

Laser-driven particle acceleration makes use of sub-picosecond, pulsed, high-power laser systems, capable of producing intensities ~10^{19} W/cm^2 at the laser focus to form plasmas, and use ultra-relativistic and nonlinear dynamics to produce quasistatic acceleration fields. This allows electrons to be accelerated to ~100 MeV over sub-centimetre distances, while protons may be accelerated to the ~10 MeV regime. In addition, novel sources of x-ray radiation become available with these schemes. The topics covered in this thesis focus mainly on target normal sheath acceleration of protons in the overdense plasma regime and laser wakefield acceleration of electrons in the underdense regime. An experimental approach leads to novel acceleration concepts and investigations on properties of new target designs.



In the overdense plasma regime, hollow microspheres were found to have the potential to enhance the conversion of laser energy into proton energy. The microscopic structure of the material used as target has impact on electron beam filamentation during electron transport through the target bulk. Long-range order was found to result in smoother beams of TNSA-produced protons as compared to amorphous structures. In addition it was demonstrated that short pulse (fs) laser-solid interactions produce magnetic fields, the strength of which can reach 10 kT, mimicking astrophysical conditions.



In the underdense regime, it was found that when tailored appropriately, density ramps can provide means of dividing the laser wakefield acceleration process into four steps: nonlinear laser evolution, trapping, bunch transfer into the second bucket, and acceleration, resulting in beams with reduced relative energy spread and divergence compared to self-injection by a nonlinear plasma wave. It was further shown that capillaries can be used to improve efficiency by guiding and refocusing the laser light onto the central axis. Short bursts of soft x-rays were produced inside capillaries. Finally, the use of an asymmetric laser field at the focus facilitated off-axis electron injection into the accelerating phase of a plasma wake oscillation and enhanced x-ray emission.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Många forskningsprojekt inom materialvetenskap, medicin eller grundläggande fysik kräver smala strålar av laddade partiklar som fungerar som provtagare för att undersöka materiens egenskaper. Dessa partiklar kan vara protoner, elektroner lättare joner. Relativt ofta, behöver de accelereras nästan upp till ljusets hastighet för att kunna tränga in tillräckligt djupt i provet som ska studeras. Ett rätt intressant exempel på en tillämpning av protonstrålar är att destruera tumörer vid ett visst vävnadsdjup utan att skada omgivande vävnad, jämfört med användandet av röntgenstrålar, som är standarden idag. Alternativt kan strålar av snabba elektroner böjas med hjälp av magneter, vilket leder till emission av ljus i ett väldigt brett färgspektrum som sträcker sig från röntgenstrålning till infrarött med överlägsna strålegenskaper jämfört med alternativa ljuskällor. Laserdriven partikelacceleration avser att använda sig av extremt starka transversella oscillerande elektriska fält, vilka blir tillgängliga när man fokuserar ljuset hos en modern pulsad högeffektslaser. För partikelacceleration måste dessa dock likriktas på något vis, så att partiklarna utsätts för ett kontinuerligt longitudinellt accelererande fält. Den här omvandlingen sker inuti ett plasma. Plasmat kan bestå av vilket material som helst, då det upphettas till en temperatur så pass hög att elektronerna inte längre är bundna till atomkärnorna och materialet blir joniserat. Detta sker i fokuspunkten när laserljuset träffar målet som t.ex. kan vara en gas eller en tunn folie. Samtidigt kan en sådan växelverkan producera korta pulser av röntgenstrålning eller magnetiska fält, som kan vara av storleksordningen en miljon gånger jordens magnetiska fålt. Utöver partikelacceleration kan man dessutom skapa miljöer som liknar astrofysikaliska förhållanden som studieobjekt i ett laboratorium.



Beroende på densiteten av fria elektroner, plöjer en fokuserad ljuspuls genom plasmat, likt en kanonkula av ljus, som knuffar och förflyttar elektroner som kommer i dess väg. Detta frambringar en våg i plasmat efter ljuspulsen, likt kölvattnet bakom en motorbåt. Här finns nu bland annat longitudinella elektriska fält som kan ge upphov till en extremt snabb acceleration, mycket snabbare än vad som är tekniskt möjligt med konventionella högfrekvensacceleratorer som t.ex. används för the Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz eller Max IV i Lund i Sverige. Principiellt skulle detta kunna tillåta att acceleratorns längd kan minskas med en faktor ett tusen. Detta innebär att en flera hundra meter lång linjäraccelerator skulle kunna krympas till några centimeter. Oftast kan dessa extrema accelerationsfält inuti plasmat dessvärre endast upprätthållas över några millimeter. Detta innebär att den tillgängliga maximala energin hos elektronerna är begränsad och lösningar måste utvecklas för att utöka denna sträckan.



I ett tätare plasma förflyttar den extremt intensiva laserpulsen fortfarande elektroner, men reflekteras efter att den har överfört delar av sin energi till en del av elektronerna. Kortlivade statiska fält skapas vid kanten av målet, som i sin tur kan accelerera partiklar såsom protoner eller joner på målets yta.



Forskningen, som presenteras i den här avhandlingen, syfter på att utforska möjligheter inom laser-materieväxelverkan för att förbättra prestanda hos laserdriven partikelacceleration. I synnerhet genom att öka effektiviteten i energiöverföringen från laserenergi till önskad partikelenergi eller genom att förlänga växelverkningslängden med lasern genom utveckling av en smart target design. Detta har lett fram till tre nya accelerationsteknier: En metod som använder sig av en ihålig glasmikrosfär, trådinjektionstekniken och användningen av en glaskapillär, vilka presenteras och diskuteras i den här avhandlingen.

• author: Burza, Matthias
• supervisor: Claes-Göran Wahlström
• opponent: Dr. Martin, Philippe, Service des Photons, Atomes et Molecules, CEA Saclay, France
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: wakefield, ultra-relativistic, ultra-intense, TNSA, Terawatt, sheath, proton, polarimetry, plasma mirror, plasma, Petawatt, particle, oscillation, Normarski, micromachining, LWFA, laser, interferometry, electron, contrast, acceleration, bubble, Fysicumarkivet A:2012:Burza
• in: Lund Reports on Atomic Physics
• volume: 455
• pages: 225 pages
• defense location: Lecture Hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-05-31 10:15:00
• external identifiers: other:Lund Report on Atomic Physics, LRAP-455
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 978-91-7473-320-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: fa54ce25-a995-4b47-af21-40803b91e8f5 (old id 2535362)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:33:49
• date last changed: 2019-05-21 18:01:11