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On the spectrometry of laser-accelerated particle bunches and laser-driven proton radiography
On the spectrometry of laser-accelerated particle bunches and laser-driven proton radiography
The increased availability of high-power laser systems operating with relatively high repetition rates (∼ 1 Hz), such as installed in the upcoming Centre for Advanced Laser Applications (CALA), are pushing laser-driven ion acceleration towards applications beyond fundamental research. With energies of laser-accelerated protons approaching 100 MeV, great interest in the community is devoted to biomedical applications like small-animal irradiation and imaging of biological samples. Such laser-accelerated ion bunches exhibit unique properties as compared to conventionally accelerated particles from electrostatic or radio-frequency driven accelerators. Among these characteristics are high beam intensities (∼ 10^9 protons/ns), a broad energy distribution (∼ 100%) and a strong electromagnetic pulse generated in the laser-plasma interaction. Due to these peculiar properties, conventional beam monitoring devices as installed e.g. in clinical ion beam facilities are not suitable for the characterization of laser-accelerated ion bunches and no system is available to date allowing for online beam monitoring simultaneous to an application. Within the framework of this thesis, two approaches for characterization of laser-accelerated proton bunches in terms of energy spectrum have been investigated and prototype systems have been developed and tested. The first setup is based on the time-of-flight (TOF) technique. The continuous energy distribution is deconvolved from the TOF signal current measured by a novel thin silicon detector which is exposed to temporally divergent polyenergetic proton bunches, taking into account the finite response function of the detector and the associated readout electronics. Measurements were performed in the energy range up to 20 MeV using nanosecond-short and passively energy-modulated proton bunches from a Tandem accelerator, as well as using laser-accelerated proton bunches obtained in experiments at the Laboratory for Extreme Photonics. A comparison of the reconstructed energy spectra to Monte Carlo simulations and measurements using a magnetic spectrometer has shown promising agreement. In the studied energy range and for the tested TOF distances, the reconstructed particle number and the mean reconstructed energy agreed with expectations within 12% and 2%, respectively. In the second investigated setup, the sensor chip of a hybrid pixel detector Timepix was irradiated edge-on with protons in the energy interval between 17 and 20 MeV. Spatial information along one axis perpendicular to the proton beam direction was obtained due to the pixelation of the detector. Although this spectrometric setup is only suitable for low proton fluences (< 7 × 10 3 protons/cm 2 ) per acquisition frame, which is far below typically obtained fluences from laser-ion acceleration experiments, the developed spectrum reconstruction method could be applied to other detector types providing a higher saturation limit than the used Timepix detector. As this thesis is dedicated to biomedical applications using laser-accelerated proton bunches, a feasibility study was performed to assess the applicability of laser-driven proton radiography of millimeter to centimeter sized objects using pixelated semiconductor detectors and polyenergetic proton bunches in the energy ranges up to 20 MeV and up to 100 MeV. The study was based on Monte Carlo simulations and was supported by a proof of principle experiment with an energy-modulated proton beam from a conventional Tandem accelerator. Sub-mm spatial resolution and density resolution below 3% were found for all objects investigated within this study and the optimized geometric distances. Motivated by the promising results obtained within this thesis, the TOF spectrometer will be implemented as diagnostic device in the laser-ion acceleration setup at CALA in the near future. Moreover, a radiographic imaging setup using laser-accelerated proton bunches and pixelated silicon detector, based on the results obtained within this thesis, is foreseen., Die vermehrte Verfügbarkeit von Hochleistungslasersystemen mit relativ hohen Pulswiederholungsraten (∼ 1 Hz), wie beispielsweise im Centre for Advanced Laser Applications (CALA), öffnen neue Wege für Anwendungen von Laser-Ionen-Beschleunigung, die über die Grundlagenforschung hinausreichen. Da sich die erzielten Energien von laser-beschleunigten Protonen den 100 MeV annähern, steigt das Interesse an biomedizinischen Anwendungen wie beispielsweise Kleintierbestrahlungen und Bildgebung von biologischen Proben. Die Eigenschaften solcher laser-beschleunigter Ionenpulse sind einzigartig verglichen mit konventionell beschleunigten Teilchen von elektrostatischen oder von Beschleunigern basierend auf elektromagnetischen Wechselfeldern. Zu den Merkmalen zählen die hohen Intensitäten (∼ 10^9 Protonen/ns), ein breites Energiespektrum (∼ 100%) und der starke elektromagnetische Puls, der in der Laser-Plasma-Interaktion erzeugt wird. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften sind herkömmliche Strahlüberwachungssysteme, wie beispielsweise in klinischen Ionenstrahleinrichtungen eingesetzt, nicht geeignet. Bisher ist kein System verfügbar, welches eine Echtzeitstrahlüberwachung parallel zu einer Anwendung erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Ansätze zur Charakterisierung laser-beschleunigter Protonenpulse hinsichtlich ihres Energiespektrums untersucht. Prototypen wurden entwickelt und getestet. Der erste Ansatz basiert auf der Flugzeitmessung (time-of-flight - TOF). Die kontinuierliche Energieverteilung wird aus dem gemessenen TOF-Signal herausgefaltet. Dieses wird mit Hilfe eines neuartigen dünnen Siliziumdetektors aufgezeichnet, der dem zeitlich auseinanderlaufenden polyenergetischen Protonenpuls exponiert ist. Die Ansprechfunktion des Detektors und der zugehörigen Ausleseelektronik wird hierbei berücksichtigt. Messungen wurden im Energiebereich bis 20 MeV mit nanosekunden-kurzen und passiv Energie-modulierten Protonenpulsen eines Tandem-Beschleunigers, sowie mit laser-beschleunigten Protonenpulsen am Laboratory for Extreme Photonics, durchgeführt. Vielversprechende Übereinstimmungen wurden beim Vergleich der rekonstruierten Energieverteilung zu Monte-Carlo Simulationen und zu Messungen mit Hilfe eines Magnetspektrometers gefunden. Für den getesteten Energiebereich und TOF-Distanzen waren die Abweichungen zwischen Rekonstruktion und Erwartungen bei Teilchenzahl und mittlerer Energie kleiner als 12%, beziehungsweise 2%. Im zweiten untersuchten Aufbau wurde die Sensorchipkante des hybriden Pixeldetektors Timepix mit Protonen im Energieintervall zwischen 17 und 20 MeV bestrahlt. Räumliche Information entlang einer Achse senkrecht zur Strahlrichtung wurde aufgrund der Pixelierung des Detektors erhalten. Dieser spektrometrische Aufbau ist nur für niedrige Protonenfluenzen (< 7 × 10 3 Protonen/cm 2 ) pro Aufnahmebild, welche weit unter typischen Fluenzen in Laser-Ionen-Beschleunigung liegt, geeignet. Dennoch kann die in dieser Arbeit entwickelte Rekonstruktionsmethode für andere Detektortypen, mit höherer Sättigungsgrenze als der Timepix-Detektor, angewandt werden. Da diese Dissertation das Ziel einer biomedizinische Anwendung von laser-beschleunigten Protonenpulsen verfolgt, wurde eine Studie durchgeführt um die Machbarkeit von laserbeschleunigter Protonenradiographie von Millimeter- bis Zentimeter-großen Objekten und pixelierten Halbleiterdetektoren zu eruieren. Der Energiebereich der polyenergetischen Protonenpulse war hierbei bis 20 MeV und bis 100 MeV. Die Studie basiert auf Monte-Carlo Simulationen und wurde durch ein Proof-of-Principle Experiment mit einem Energiemodulierten Protonenstrahl von einem Tandembeschleuniger unterstützt. Die gefundene räumliche Auflösung und die Dichteauflösung war im sub-Millimeterbereich, bzw. besser als 3% für alle in dieser Studie getesteten Objekte und für die optimierten geometrischen Abstände. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse, die im Zuge dieser Arbeit gewonnen wurden, wird das Flugzeitspektrometer als diagnostisches System für die Laser-Ionen-Beschleunigung an CALA in naher Zukunft eingesetzt. Desweiteren ist ein Aufbau zur Bildgebung mittels laser-beschleunigter Protonen und einem pixelierten Siliziumdetektor, basierend auf den in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse, vorgesehen.
Laser-Ion-Acceleration, Time-of-Flight, Spectrometry, Proton Radiography
Würl, Matthias
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Würl, Matthias (2018): On the spectrometry of laser-accelerated particle bunches and laser-driven proton radiography. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The increased availability of high-power laser systems operating with relatively high repetition rates (∼ 1 Hz), such as installed in the upcoming Centre for Advanced Laser Applications (CALA), are pushing laser-driven ion acceleration towards applications beyond fundamental research. With energies of laser-accelerated protons approaching 100 MeV, great interest in the community is devoted to biomedical applications like small-animal irradiation and imaging of biological samples. Such laser-accelerated ion bunches exhibit unique properties as compared to conventionally accelerated particles from electrostatic or radio-frequency driven accelerators. Among these characteristics are high beam intensities (∼ 10^9 protons/ns), a broad energy distribution (∼ 100%) and a strong electromagnetic pulse generated in the laser-plasma interaction. Due to these peculiar properties, conventional beam monitoring devices as installed e.g. in clinical ion beam facilities are not suitable for the characterization of laser-accelerated ion bunches and no system is available to date allowing for online beam monitoring simultaneous to an application. Within the framework of this thesis, two approaches for characterization of laser-accelerated proton bunches in terms of energy spectrum have been investigated and prototype systems have been developed and tested. The first setup is based on the time-of-flight (TOF) technique. The continuous energy distribution is deconvolved from the TOF signal current measured by a novel thin silicon detector which is exposed to temporally divergent polyenergetic proton bunches, taking into account the finite response function of the detector and the associated readout electronics. Measurements were performed in the energy range up to 20 MeV using nanosecond-short and passively energy-modulated proton bunches from a Tandem accelerator, as well as using laser-accelerated proton bunches obtained in experiments at the Laboratory for Extreme Photonics. A comparison of the reconstructed energy spectra to Monte Carlo simulations and measurements using a magnetic spectrometer has shown promising agreement. In the studied energy range and for the tested TOF distances, the reconstructed particle number and the mean reconstructed energy agreed with expectations within 12% and 2%, respectively. In the second investigated setup, the sensor chip of a hybrid pixel detector Timepix was irradiated edge-on with protons in the energy interval between 17 and 20 MeV. Spatial information along one axis perpendicular to the proton beam direction was obtained due to the pixelation of the detector. Although this spectrometric setup is only suitable for low proton fluences (< 7 × 10 3 protons/cm 2 ) per acquisition frame, which is far below typically obtained fluences from laser-ion acceleration experiments, the developed spectrum reconstruction method could be applied to other detector types providing a higher saturation limit than the used Timepix detector. As this thesis is dedicated to biomedical applications using laser-accelerated proton bunches, a feasibility study was performed to assess the applicability of laser-driven proton radiography of millimeter to centimeter sized objects using pixelated semiconductor detectors and polyenergetic proton bunches in the energy ranges up to 20 MeV and up to 100 MeV. The study was based on Monte Carlo simulations and was supported by a proof of principle experiment with an energy-modulated proton beam from a conventional Tandem accelerator. Sub-mm spatial resolution and density resolution below 3% were found for all objects investigated within this study and the optimized geometric distances. Motivated by the promising results obtained within this thesis, the TOF spectrometer will be implemented as diagnostic device in the laser-ion acceleration setup at CALA in the near future. Moreover, a radiographic imaging setup using laser-accelerated proton bunches and pixelated silicon detector, based on the results obtained within this thesis, is foreseen.

Abstract

Die vermehrte Verfügbarkeit von Hochleistungslasersystemen mit relativ hohen Pulswiederholungsraten (∼ 1 Hz), wie beispielsweise im Centre for Advanced Laser Applications (CALA), öffnen neue Wege für Anwendungen von Laser-Ionen-Beschleunigung, die über die Grundlagenforschung hinausreichen. Da sich die erzielten Energien von laser-beschleunigten Protonen den 100 MeV annähern, steigt das Interesse an biomedizinischen Anwendungen wie beispielsweise Kleintierbestrahlungen und Bildgebung von biologischen Proben. Die Eigenschaften solcher laser-beschleunigter Ionenpulse sind einzigartig verglichen mit konventionell beschleunigten Teilchen von elektrostatischen oder von Beschleunigern basierend auf elektromagnetischen Wechselfeldern. Zu den Merkmalen zählen die hohen Intensitäten (∼ 10^9 Protonen/ns), ein breites Energiespektrum (∼ 100%) und der starke elektromagnetische Puls, der in der Laser-Plasma-Interaktion erzeugt wird. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften sind herkömmliche Strahlüberwachungssysteme, wie beispielsweise in klinischen Ionenstrahleinrichtungen eingesetzt, nicht geeignet. Bisher ist kein System verfügbar, welches eine Echtzeitstrahlüberwachung parallel zu einer Anwendung erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Ansätze zur Charakterisierung laser-beschleunigter Protonenpulse hinsichtlich ihres Energiespektrums untersucht. Prototypen wurden entwickelt und getestet. Der erste Ansatz basiert auf der Flugzeitmessung (time-of-flight - TOF). Die kontinuierliche Energieverteilung wird aus dem gemessenen TOF-Signal herausgefaltet. Dieses wird mit Hilfe eines neuartigen dünnen Siliziumdetektors aufgezeichnet, der dem zeitlich auseinanderlaufenden polyenergetischen Protonenpuls exponiert ist. Die Ansprechfunktion des Detektors und der zugehörigen Ausleseelektronik wird hierbei berücksichtigt. Messungen wurden im Energiebereich bis 20 MeV mit nanosekunden-kurzen und passiv Energie-modulierten Protonenpulsen eines Tandem-Beschleunigers, sowie mit laser-beschleunigten Protonenpulsen am Laboratory for Extreme Photonics, durchgeführt. Vielversprechende Übereinstimmungen wurden beim Vergleich der rekonstruierten Energieverteilung zu Monte-Carlo Simulationen und zu Messungen mit Hilfe eines Magnetspektrometers gefunden. Für den getesteten Energiebereich und TOF-Distanzen waren die Abweichungen zwischen Rekonstruktion und Erwartungen bei Teilchenzahl und mittlerer Energie kleiner als 12%, beziehungsweise 2%. Im zweiten untersuchten Aufbau wurde die Sensorchipkante des hybriden Pixeldetektors Timepix mit Protonen im Energieintervall zwischen 17 und 20 MeV bestrahlt. Räumliche Information entlang einer Achse senkrecht zur Strahlrichtung wurde aufgrund der Pixelierung des Detektors erhalten. Dieser spektrometrische Aufbau ist nur für niedrige Protonenfluenzen (< 7 × 10 3 Protonen/cm 2 ) pro Aufnahmebild, welche weit unter typischen Fluenzen in Laser-Ionen-Beschleunigung liegt, geeignet. Dennoch kann die in dieser Arbeit entwickelte Rekonstruktionsmethode für andere Detektortypen, mit höherer Sättigungsgrenze als der Timepix-Detektor, angewandt werden. Da diese Dissertation das Ziel einer biomedizinische Anwendung von laser-beschleunigten Protonenpulsen verfolgt, wurde eine Studie durchgeführt um die Machbarkeit von laserbeschleunigter Protonenradiographie von Millimeter- bis Zentimeter-großen Objekten und pixelierten Halbleiterdetektoren zu eruieren. Der Energiebereich der polyenergetischen Protonenpulse war hierbei bis 20 MeV und bis 100 MeV. Die Studie basiert auf Monte-Carlo Simulationen und wurde durch ein Proof-of-Principle Experiment mit einem Energiemodulierten Protonenstrahl von einem Tandembeschleuniger unterstützt. Die gefundene räumliche Auflösung und die Dichteauflösung war im sub-Millimeterbereich, bzw. besser als 3% für alle in dieser Studie getesteten Objekte und für die optimierten geometrischen Abstände. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse, die im Zuge dieser Arbeit gewonnen wurden, wird das Flugzeitspektrometer als diagnostisches System für die Laser-Ionen-Beschleunigung an CALA in naher Zukunft eingesetzt. Desweiteren ist ein Aufbau zur Bildgebung mittels laser-beschleunigter Protonen und einem pixelierten Siliziumdetektor, basierend auf den in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse, vorgesehen.