Characterization of a permanent magnet quadrupoles focus of laser-accelerated protons

Rösch, Thomas (2022): Characterization of a permanent magnet quadrupoles focus of laser-accelerated protons. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Viele Anwendungen von laserbeschleunigten Protonen benötigen diese an einem von der Quelle entfernten Ort. Für das Laser-driven ION (LION) Experiment am Centre for Advanced Laser Applications (CALA) werden Permanentmagnet-Quadrupole verwendet, um die Protonen zu sammeln und sie auf eine Anwendungsplattform an Luft zu transportieren. Da Anwendungsexperimente mit höchstmöglicher Teilchenfluenz angestebt werden, zielt der Aufbau darauf ab, so viele Teilchen wie möglich zu sammeln und sie auf eine möglichst kleine Fläche zu fokussieren. Diese Optimierung erfordert zwei Quadrupol-Paare, von denen eines in der Nähe der Quelle positioniert ist, um eine große Anzahl von Protonen zu sammeln, und das zweite den parallelen Strahl neu fokussiert, idealerweise bis zu seiner Emittanzgrenze. Aufgrund der typischerweise großen Energiebreite von laserbeschleunigten Protonen und des energieselektiven Verhaltens der Quadrupole ergeben sich unregelmäßige Fokusformen. Endliche Positionsgenauigkeit und unbekannte Feldfehler der Elemente erschweren die theoretischen Vorhersagen zusätzlich. Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse umfangreicher Experimente vor, die sich insbesondere auf die Optimierung des mit dem ersten Dublett erzeugten Protonenfokus konzentrierten und die Basis für einen späteren Betrieb als Quadruplett darstellen. Auf der Grundlage eines großen Datensatzes war es möglich, den Einfluss konkreter Parameter wie relative Verdrehung, Längs- und Querposition experimentell zu ermitteln und zu verstehen. Dieses Unterfangen stützte sich auf sorgfältige Verfahren zur Vorabcharakterisierung und Vorjustage. Mit einem einzelnen Quadrupoldublett wurde ein leicht elliptischer Fokus mit einer Halbwertsbreite von (0.7 ± 0.3)mm in horizontaler Richtung und (1.4 ± 0.5)mm in vertikaler Richtung für mittlere kinetische Energien zwischen 12MeV und 22MeV erreicht. Simulationswerkzeuge zur Vorhersage der räumlichen und energetischen Verteilung der Protonen in der Fokusebene werden entwickelt und eingesetzt, um die große Anzahl von Parametern mit potentiell entscheidendem Einfluss aufzuschlüsseln. Begleitend zu diesem Prozess wurde ein einfaches analytisches Modell entwickelt, das beschreibt, wie sich die breite Energieverteilung in der räumlichen Verteilung manifestiert. Obwohl es auf einigen starken Näherungen beruht, erweist es sich als effizient und genau für die Beschreibung der experimentell beobachteten Fluenzbreite und -gradienten entlang von 1D-Lineouts. Darüber hinaus wurden Effekte, welche die Qualität des Protonenspots beeinträchtigen, wie z. B. Streuung im Vakuumaustrittsfenster, mit Monte-Carlo-Simulationen quantitativ bewertet. Auf der Grundlage dieses wesentlich verbesserten Modells und eines großen Datensatzes konnte die Größe der virtuellen Protonenquelle für 400nm bis 600nm dünne Folientargets auf (34 ± 18) μm in horizontaler und (11 ± 7) μm in vertikaler Dimension und innerhalb der Unsicherheit von der Teilchenenergie unabhängig bestimmt werden. Dieses Ergebnis steht in starkem Kontrast zu der Energieabhängigkeit, die für die Protonenbeschleunigung von Mikrometer-Targetfolien gemessen wurde. Zusätzlich zu diesem wissenschaftlichen Ergebnis werden in dieser Arbeit Faktoren des derzeitigen Aufbaus identifiziert, die die Fluenz und die Fokusgröße begrenzen. Sie liefert daher Anhaltspunkte für die weitere Optimierung den Protonentransportaufbau an LION und ermöglicht einen verbesserten täglichen Betrieb als Grundlage für Anwendungsexperimente. Die entwickelte Methodik und das Verständnis ermöglichen nun eine gezielte Optimierung des zweiten Quadrupoldubletts, das bereits vorbereitet, charakterisiert, implementiert und für erste Tests genutzt wurde. Die Ergebnisse zeigen eine räumlich und energetisch getrennte Doppelfokusstruktur, wobei beide Spots eine Größe von ca. 0.5mm haben, was auf die Notwendigkeit einer anschließenden Untersuchung der Quadruplettausrichtung und des Verhaltens hinweist, da kleinere Größen erwartbar sind.

Abstract

Many applications of laser-accelerated protons demand them at a remote location from the source. For the Laser-driven ION (LION) experiment at the Centre for Advanced Laser Applications permanent magnet quadrupoles are used to collect and focus them to an application platform on air. As the setup envisions application experiments with highest possible particle fluence, it aims at collecting as many particles as possible and focus them on the smallest possible area. This optimization requires two quadrupole doublets, one positioned close to the source to collect a large number of protons and the second to refocus the parallel beam, ideally to its emittance limit. Due to the typically broad energy spread in the laser-accelerated proton bunch and the energy selective behavior of the quadrupoles, irregular focus shapes arise. Finite position accuracy and unknown field errors of elements further complicate theoretical predictions. The work at hand presents the results of extensive experiments that particularly concentrated on optimizing the proton focus produced with the first doublet and represents the base for a later operation as quadruplet. Based on a large data set it was possible to identify and understand the influence of concrete parameters such as relative rotation, longitudinal and transverse position experimentally. This endeavor relied on careful pre-characterization and pre-alignment procedures. With a single quadrupole doublet a slightly elliptical focal spot with a full-width at half maximum of (0.7 ± 0.3)mm in horizontal direction and (1.4 ± 0.5)mm in vertical direction for setup design energies between 12MeV and 22MeV was achieved. Simulation tools for predicting the spatial and energy distribution of the protons in the focal plane were developed and employed to disentangle the large number of parameters with potentially decisive influence. Accompanying this process, a simple analytical model was developed to describe how the broad energy distribution manifests in the spatial distribution. While it does rely on some strong approximations, it proofs efficient and accurate for describing the experimentally observed fluence extents and gradients along 1D lineouts. In addition, effects that impair the proton spot quality such as scattering in the vacuum exit window were quantitatively assessed with Monte-Carlo simulations. On the basis of this substantially improved model and a large data set, the protons virtual source size for 400nm to 600nm thin foil targets could be estimated to be (34 ± 18) μm in horizontal and (11 ± 7) μm in vertical dimension and, within the uncertainty, independent of the particle energy. This result is in strong contrast to the energy dependence measured for proton acceleration from micrometer thick target foils. In addition to this scientific result, this thesis work identifies factors of the current setup that limit fluence and proton spot size. It therefore provides guidance for further optimizing the proton transport beamline at LION and facilitates improved daily operation as a basis for application experiments. The developed methodology and understanding now enables targeted optimization of the second quadrupole doublet, which has already been prepared, characterized, implemented and used in first tests. The results show a spatially and energetically separated double focus structure with both spots having a size of around 0.5mm indicating the necessity of a subsequent investigation of the quadruplet alignment and behavior, as smaller sizes can be expected.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Laser-Ion-Acceleration, Accelerator Physics, Plasma Physics
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. April 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Schreiber, Jörg