Advanced

Interferometric Charecterization of Supersonic Gas-Jets for Laser Wakefield Acceleration

Henriksson, Jonatan LU (2016) FYSK02 20152
Atomic Physics
Department of Physics
Abstract
The Multi-Terawatt laser at the LLC (Lund Laser Centre) is used to accelerate particles using laser wakefield acceleration. Laser wakefield acceleration is a particle acceleration method that utilizes intense electric fields in plasma created by high intensity laser pulses when passing through gas. A gas nozzle is used to introduce gas in the beamline to produce the plasma needed and the supersonic gas-jets produced by this nozzle were characterized in this project. Characteristics such as density profile and stability were the main focus. The
method tested to characterize the jets was interferometry using a Mach-Zehnder interferometer and then treating recorded data using a MATLAB script. The main conclusion was that this method to... (More)
The Multi-Terawatt laser at the LLC (Lund Laser Centre) is used to accelerate particles using laser wakefield acceleration. Laser wakefield acceleration is a particle acceleration method that utilizes intense electric fields in plasma created by high intensity laser pulses when passing through gas. A gas nozzle is used to introduce gas in the beamline to produce the plasma needed and the supersonic gas-jets produced by this nozzle were characterized in this project. Characteristics such as density profile and stability were the main focus. The
method tested to characterize the jets was interferometry using a Mach-Zehnder interferometer and then treating recorded data using a MATLAB script. The main conclusion was that this method to characterize the gas works, as it can reproduce the density profile of the gas-jet, showing a density of 0.23 kg/m3 at maximum for a profile that is flat at the center of the jet and decreases beyond a certain radius using a gas pressure of 5 bar in the gas system and at 1.5ms after the nozzle was opened. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Att avfyra partiklar med laser: Karakterisering av gasstrålar.

Det vanligaste sättet att accelerera partiklar är att skicka runt dem i en cirkulär accelerator, men alternativa sätt kan vara mer praktiska eller billigare, så att forskare kan undvika att göra större och större cirklar för att få mer energi utan i stället skapa mer praktiska experimentuppställningar. En alternativ teknik använder elektriska fält i plasma som produceras av laser för att accelerera. För att denna tekniken ska fungeramer effektivt, testades en metod att karaktäriserade de gaser som används.

Cirkulära acceleratorer har sina fördelar som att de är starka och utbredda men problemen är deras storlek, pris och hur snabbt de accelererar partiklar. De kräver... (More)
Att avfyra partiklar med laser: Karakterisering av gasstrålar.

Det vanligaste sättet att accelerera partiklar är att skicka runt dem i en cirkulär accelerator, men alternativa sätt kan vara mer praktiska eller billigare, så att forskare kan undvika att göra större och större cirklar för att få mer energi utan i stället skapa mer praktiska experimentuppställningar. En alternativ teknik använder elektriska fält i plasma som produceras av laser för att accelerera. För att denna tekniken ska fungeramer effektivt, testades en metod att karaktäriserade de gaser som används.

Cirkulära acceleratorer har sina fördelar som att de är starka och utbredda men problemen är deras storlek, pris och hur snabbt de accelererar partiklar. De kräver också enorma mängder energi för att drivas. Ett alternativt sätt att accelerera partiklar med hjälp av laserproducerade plasmavågfält. Låt inte namnet skrämma dig, det handlar för det mesta om att skjuta sakermed laser. Den grundläggande principen kan jämföras med en bil som rör sig och en person på en
cykel. När bilen kör förbi bildas det en luftström i luften bakom den. Denna luftströmmen är som en bubbla av lågtryck bakom bilen, och cyklisten ser sin chans och hoppar in i bubblan bakom bilen för att få lite fart.

Detta kan liknas med det som händer när en högeffektslaserpuls träffar en gas. Gasen blir då till plasma, vilket är mycket het gas där elektronerna i gasen blir dragna bort från atomerna, elektronerna blir sedan trykta ännu längre bort från atomerna på grund av laserns intensitet. Detta resulterar i luftbubblan, dvs ett starkt elektriskt fält i plasman, efter bilen (laserpulsen).
Denna bubbla kan plocka upp laddade partiklar, (cyklisterna) och dra iväg dem. Eftersom fältstyrkan är så hög sker detta mycket snabbt och på ett mycket kort avstånd. Det testade sättet att bättre förstå denna accelerationsmetod var att se hur gasstrålarna som används för att skapaplasman uppförde sig, luften i analogi ovan.Med hjälp av så kallad interferometrimättes gasens beteende.

Föreställ dig två vågor som är på väg till samma punkt men som börjar på olika avstånd från punkten. Om den ena är i maximum och den andra i minimum när de når fram till den plats de möts på så tar de ut varandra och inget ljus kan ses. Den motsatta situationen är när båda är i sitt maximum när de träffas eftersom de börjar på samma avstånd och har samma hastighet, vilket resulterar i ljus maximum. Detta gäller också för ljus eftersom det har egenskaperna av en
våg. Så från att titta på vågmönstret som skapas vid mötesplatsen vet man vad som hände med den stråle som gick igenom gasen. Att veta detta kan berätta hur gasen beter sig så att man kan förbättra var/närman skjuter lasern för att få ut så mycket som möjligt från plasman.

Efter att ha testat denna karakteriseringsmetod har det visat sig att den fungerar väll. Fördelen med att kunna göra detta under acceleration är att det kommer att minska problem som att råka avfyra lasern när strålen är till exempel instabil. På lång sikt kan detta leda till en mer kostnads och storleks-effektiv accelerationsmetod vilket skulle kunna hjälpa till exempel olika
avbildningstekniker inom sjukvård. Förbättrade acceleratorer kan också bidra till grundforskning,eftersom högre energier alltid är eftersökta i områden som partikelfysik. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Henriksson, Jonatan LU
supervisor
organization
course
FYSK02 20152
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Interferometry, Laser Wakefield Acceleration, Mach-Zehnder, Gas-Jet characterization
language
English
id
8875355
date added to LUP
2016-06-09 11:41:42
date last changed
2016-11-15 14:06:13
@misc{8875355,
  abstract     = {The Multi-Terawatt laser at the LLC (Lund Laser Centre) is used to accelerate particles using laser wakefield acceleration. Laser wakefield acceleration is a particle acceleration method that utilizes intense electric fields in plasma created by high intensity laser pulses when passing through gas. A gas nozzle is used to introduce gas in the beamline to produce the plasma needed and the supersonic gas-jets produced by this nozzle were characterized in this project. Characteristics such as density profile and stability were the main focus. The
method tested to characterize the jets was interferometry using a Mach-Zehnder interferometer and then treating recorded data using a MATLAB script. The main conclusion was that this method to characterize the gas works, as it can reproduce the density profile of the gas-jet, showing a density of 0.23 kg/m3 at maximum for a profile that is flat at the center of the jet and decreases beyond a certain radius using a gas pressure of 5 bar in the gas system and at 1.5ms after the nozzle was opened.},
  author       = {Henriksson, Jonatan},
  keyword      = {Interferometry,Laser Wakefield Acceleration,Mach-Zehnder,Gas-Jet characterization},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Interferometric Charecterization of Supersonic Gas-Jets for Laser Wakefield Acceleration},
  year         = {2016},
}