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Laser-driven heavy ion acceleration
Laser-driven heavy ion acceleration
The rapid neutron capture process (r-process) is responsible for the generation of about half of the heavy elements beyond iron in the Universe. While knowledge about its long-debated astrophysical sites converged recently by the first multi-modal observation of neutron-star mergers by the LIGO-Virgo collaboration in 2017, the nuclear properties of the involved isotopes, especially around the waiting point at the magic neutron number N = 126, still remain inaccessible using conventional accelerator techniques. As a consequence, Habs et al. proposed about one decade ago the fission-fusion reaction mechanism, which offers the potential to produce neutron-rich r-process isotopes close to this waiting point at N = 126 applying ultra-dense, laser-accelerated bunches of heavy, fissile ions in the mass range of A ≥ 200 with kinetic energies around 7 MeV/u. Only two publications had reported on the measurement of laser-accelerated heavy ions in the relevant energy range at the beginning of this work, with maximum kinetic energies of 2 MeV/u. This dissertation presents the results from two experimental campaigns dedicated to advance the knowledge about laser-driven gold ion acceleration and to generate an ion bunch which meets the energy requirements of the fission-fusion reaction mechanism. In both experiments, the heavy ion energies have been successfully pushed towards higher limits, finally resulting in the detection of laser-accelerated heavy ions with energies beyond the fission-fusion threshold of 7 MeV/u. A radiative target cleaning has been implemented in order to reduce the contribution of hydrocarbon contaminants on the gold foil surfaces to the laser-accelerated heavy ion bunches. A Thomson parabola spectrometer has been designed with parameters that ideally support the detection of heavy ions. With that diagnostics, individual gold ion charge states could be resolved for the first time, showing a remarkable target thickness dependency, which cannot be explained with the common ionization mechanisms in a straight-forward way. Thus, the data presented in this thesis is highly valuable as input for future theoretical considerations on the ionization processes of heavy ions in laser-generated plasmas., Der schnelle Neutroneneinfangprozess (r-Prozess) ist verantwortlich für die Erzeugung von ungefähr der Hälfte aller Elemente im Universum mit einer höheren Masse als Eisen. Während sich seit der ersten multimodalen Beobachtung einer Neutronensternverschmelzung durch die LIGO-Virgo-Kollaboration im Jahr 2017 die Erkenntnisse über die vieldiskutierten astrophysikalischen Schauplätze des r-Prozesses unlängst verdichteten, bleiben die nuklearen Eigenschaften der beteiligten Isotope, insbesondere um den Wartepunkt bei der magischen Neutronenzahl von N = 126, noch immer unzugänglich für die konventionelle Beschleunigertechnologie. In Folge dessen entwickelten Habs et al. vor etwa einem Jahrzehnt die Idee des 'Fission-Fusion'-Reaktionsmechanismus, welche das Potenzial birgt, neutronenreiche r-Prozess-Isotope in der Nähe dieses Wartepunkts bei N = 126 mittels ultradichter, laserbeschleunigter Pulse schwerer, spaltbarer Ionen im Massenbereich von A ≥ 200 und mit kinetischen Energien um 7 MeV/u zu erzeugen. Zum Beginn dieser Arbeit lagen lediglich zwei Veröffentlichungen vor, die über die Messung laserbeschleunigter Schwerionen im relevanten Energiebereich berichteten, mit kinetischen Energien von maximal 2 MeV/u. Diese Dissertation präsentiert die Ergebnisse zweier Experimentierkampagnen, die darauf abzielten, das Wissen über lasergetriebene Goldionenbeschleunigung zu erweitern und Ionenpulse zu erzeugen, welche die energetischen Voraussetzungen des 'Fission-Fusion'-Reaktionsmechanismus erfüllen. In beiden Experimenten wurden die Schwerionenenergien erfolgreich nach oben getrieben, was schlussendlich in der Detektion von laserbeschleunigten Schwerionen mit Energien jenseits des 'Fission-Fusion'-Schwellenwerts von etwa 7 MeV/u resultierte. Um den Beitrag von Kohlenwasserstoffverunreinigungen auf den Goldfolienoberflächen zu den laserbeschleunigten Schwerionenpulse zu reduzieren, wurde eine Targetreinigung mittels optischer Laserstrahlung implementiert. Für die Messung von Schwerionen wurde ein Thomson-Parabel-Spektrometer konstruiert, dessen Parameter ideal auf diesen Zweck abgestimmt wurden. Mit Hilfe dieser Diagnostik konnten zum ersten Mal einzelne Goldladungszustände aufgelöst werden, wodurch eine bemerkenswerte Abhängigkeit von der Targetdicke ans Licht kam, die nicht auf einfache Art und Weise durch die gewöhnlichen Ionisationsmechanismen erklärt werden können. Die Daten aus dieser Doktorarbeit stellen daher einen sehr wertvollen Beitrag für künftige theoretische Betrachtungen der Ionisationsprozesse von Schwerionen in lasererzeugten Plasmen dar.
laser ion acceleration, gold ion acceleration, fission-fusion reaction mechanism
Lindner, Florian
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Lindner, Florian (2021): Laser-driven heavy ion acceleration. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The rapid neutron capture process (r-process) is responsible for the generation of about half of the heavy elements beyond iron in the Universe. While knowledge about its long-debated astrophysical sites converged recently by the first multi-modal observation of neutron-star mergers by the LIGO-Virgo collaboration in 2017, the nuclear properties of the involved isotopes, especially around the waiting point at the magic neutron number N = 126, still remain inaccessible using conventional accelerator techniques. As a consequence, Habs et al. proposed about one decade ago the fission-fusion reaction mechanism, which offers the potential to produce neutron-rich r-process isotopes close to this waiting point at N = 126 applying ultra-dense, laser-accelerated bunches of heavy, fissile ions in the mass range of A ≥ 200 with kinetic energies around 7 MeV/u. Only two publications had reported on the measurement of laser-accelerated heavy ions in the relevant energy range at the beginning of this work, with maximum kinetic energies of 2 MeV/u. This dissertation presents the results from two experimental campaigns dedicated to advance the knowledge about laser-driven gold ion acceleration and to generate an ion bunch which meets the energy requirements of the fission-fusion reaction mechanism. In both experiments, the heavy ion energies have been successfully pushed towards higher limits, finally resulting in the detection of laser-accelerated heavy ions with energies beyond the fission-fusion threshold of 7 MeV/u. A radiative target cleaning has been implemented in order to reduce the contribution of hydrocarbon contaminants on the gold foil surfaces to the laser-accelerated heavy ion bunches. A Thomson parabola spectrometer has been designed with parameters that ideally support the detection of heavy ions. With that diagnostics, individual gold ion charge states could be resolved for the first time, showing a remarkable target thickness dependency, which cannot be explained with the common ionization mechanisms in a straight-forward way. Thus, the data presented in this thesis is highly valuable as input for future theoretical considerations on the ionization processes of heavy ions in laser-generated plasmas.

Abstract

Der schnelle Neutroneneinfangprozess (r-Prozess) ist verantwortlich für die Erzeugung von ungefähr der Hälfte aller Elemente im Universum mit einer höheren Masse als Eisen. Während sich seit der ersten multimodalen Beobachtung einer Neutronensternverschmelzung durch die LIGO-Virgo-Kollaboration im Jahr 2017 die Erkenntnisse über die vieldiskutierten astrophysikalischen Schauplätze des r-Prozesses unlängst verdichteten, bleiben die nuklearen Eigenschaften der beteiligten Isotope, insbesondere um den Wartepunkt bei der magischen Neutronenzahl von N = 126, noch immer unzugänglich für die konventionelle Beschleunigertechnologie. In Folge dessen entwickelten Habs et al. vor etwa einem Jahrzehnt die Idee des 'Fission-Fusion'-Reaktionsmechanismus, welche das Potenzial birgt, neutronenreiche r-Prozess-Isotope in der Nähe dieses Wartepunkts bei N = 126 mittels ultradichter, laserbeschleunigter Pulse schwerer, spaltbarer Ionen im Massenbereich von A ≥ 200 und mit kinetischen Energien um 7 MeV/u zu erzeugen. Zum Beginn dieser Arbeit lagen lediglich zwei Veröffentlichungen vor, die über die Messung laserbeschleunigter Schwerionen im relevanten Energiebereich berichteten, mit kinetischen Energien von maximal 2 MeV/u. Diese Dissertation präsentiert die Ergebnisse zweier Experimentierkampagnen, die darauf abzielten, das Wissen über lasergetriebene Goldionenbeschleunigung zu erweitern und Ionenpulse zu erzeugen, welche die energetischen Voraussetzungen des 'Fission-Fusion'-Reaktionsmechanismus erfüllen. In beiden Experimenten wurden die Schwerionenenergien erfolgreich nach oben getrieben, was schlussendlich in der Detektion von laserbeschleunigten Schwerionen mit Energien jenseits des 'Fission-Fusion'-Schwellenwerts von etwa 7 MeV/u resultierte. Um den Beitrag von Kohlenwasserstoffverunreinigungen auf den Goldfolienoberflächen zu den laserbeschleunigten Schwerionenpulse zu reduzieren, wurde eine Targetreinigung mittels optischer Laserstrahlung implementiert. Für die Messung von Schwerionen wurde ein Thomson-Parabel-Spektrometer konstruiert, dessen Parameter ideal auf diesen Zweck abgestimmt wurden. Mit Hilfe dieser Diagnostik konnten zum ersten Mal einzelne Goldladungszustände aufgelöst werden, wodurch eine bemerkenswerte Abhängigkeit von der Targetdicke ans Licht kam, die nicht auf einfache Art und Weise durch die gewöhnlichen Ionisationsmechanismen erklärt werden können. Die Daten aus dieser Doktorarbeit stellen daher einen sehr wertvollen Beitrag für künftige theoretische Betrachtungen der Ionisationsprozesse von Schwerionen in lasererzeugten Plasmen dar.