Quantitative Ion Spectrometry and first laser-ion acceleration results at the Centre for Advanced Laser Applications

Hartmann, Jens (2022): Quantitative Ion Spectrometry and first laser-ion acceleration results at the Centre for Advanced Laser Applications. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

This work describes the first research period of laser-based acceleration of ion beams in plasmas at the Centre for Advanced Laser Applications in Garching near Munich. The laser-driven ion acceleration system relies on the chirped pulse amplification Advanced-Titanium:Saphire-Laser (ATLAS) system, which will be able to deliver femtosecond pulses with more than 1 Petawatt peak power in the near future. Findings presented here rely on irradiation studies of nanometer-thin films with reduced peak power of up to 300 TW. On this basis, the laser-ion (LION) acceleration experimental beamline was developed and put into operation and now enables reproducible proton acceleration to kinetic energies of up to 23 MeV. A novel Quantitative Ion Spectrometry (QIS) technique was developed to obtain absolute differential energy spectral information of the accelerated ions. It is shown how a pixelated silicon detector can be calibrated for protons and carbon ions only by considering the statistical nature of the energy loss of particles in the thin detector layer. This approach is extended to include the distribution of particles over individual pixels, which allows the absolute number of detected particles to be determined without prior detailed knowledge of the sensor. Simulations show that this method works best in a range between very low particle flux (single particles) and very high particle flux (near saturation). Therefore, QIS can solve the eminent problem of quantitative detector calibration, even posterior of experimental campaigns. The QIS method was used to evaluate quantitatively the proton and carbon ion data of 42 selected laser shots on 400 nm targets. Main focus was on the stability of the proton particle number at energies of 12, 15, and 18 MeV. Two kinds of variations were identified. We access an angular range of 2 degrees within the emitted beam and observe particle number fluctuations by up to a factor of two within individual shots. Over multiple shots, angle-averaged particle numbers diverge by up to three orders of magnitude, resembling an on-off behavior that is mostly observed near the maximum proton energy. The shot-to-shot fluctuations of the proton yield reduced to one order of magnitude at 7 MeV. It was occasionally observed that carbon ions were efficiently co-accelerated with protons and reached kinetic energies of 23 MeV/u. The work provided the basis for application experiments at moderate particle energy, in particular by establishing a beamline for transporting laser-accelerated protons to a platform in air. First demonstration experiments include proton focusing, detector tests and a proton radiography.

Abstract

Diese Arbeit beschreibt den ersten Forschungsabschnitt der laserbasierten Beschleunigung von Ionenstrahlen in Plasmen am Centre for Advanced Laser Applications in Garching bei München. Das laserbasierte Ionenbeschleunigungssystem basiert auf dem gechirpten Pulsverstärkersystem 'Advanced-Titanium:Saphire-Laser' (ATLAS), das in naher Zukunft in der Lage sein wird, Femtosekundenpulse mit mehr als 1 Petawatt Spitzenleistung zu liefern. Die hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf Bestrahlungsstudien von nanometerdünnen Filmen mit reduzierter Spitzenleistung von bis zu 300 TW. Auf dieser Grundlage wurde die Laser-Ionen-Beschleunigungsbeamline (LION) entwickelt und in Betrieb genommen, die nun eine reproduzierbare Protonenbeschleunigung auf kinetische Energien von bis zu 23 MeV ermöglicht. Eine neuartige Technik der quantitativen Ionenspektrometrie (QIS) wurde entwickelt, um absolute differentielle Energiespektralinformationen der beschleunigten Ionen zu erhalten. Es wird gezeigt, wie ein pixelierter Siliziumdetektor nur unter der Berücksichtigung der statistischen Natur des Energieverlustes von Teilchen in der dünnen Dektorschicht für Protonen und Kohlenstoffionen kalibriert werden kann. Dieser Ansatz wird um die Verteilung der Teilchen auf einzelne Pixel erweitert, was die Bestimmung der absoluten Teilchenzahl ohne vorherige detaillierte Kenntnis des Sensors ermöglicht. Simulationen zeigen, dass diese Methode in einem Bereich zwischen sehr niedrigem Teilchenfluss (Einzelteilchen) und sehr hohem Teilchenfluss (nahe Sättigung) am besten funktioniert. Daher kann QIS das eminente Problem der quantitativen Detektorkalibrierung lösen, sogar nach einer Experimentkampagne. Die QIS-Methode wurde zur quantitativen Auswertung der Protonen- und Kohlenstoffionendaten von 42 ausgewählten Laserschüssen auf 400 nm-Targets verwendet. Das Hauptaugenmerk lag auf der Stabilität der Protonenteilchenzahl bei Energien von 12, 15 und 18 MeV. Es wurden zwei Arten von Variationen identifiziert. Wir beobachten einen Winkelbereich von 2 Grad innerhalb des emittierten Strahls und beobachten Teilchenzahlschwankungen um bis zu einem Faktor zwei innerhalb einzelner Schüsse. Über mehrere Schüsse hinweg divergiert die winkelgemittelte Teilchenzahl um bis zu drei Größenordnungen, was einem An-Aus-Verhalten ähnelt, das vor allem in der Nähe der maximalen Protonenenergie zu beobachten ist. Die Schuss-zu-Schuss-Fluktuationen der Protonenausbeute gingen bei 7 MeV auf eine Größenordnung zurück. Gelegentlich wurde beobachtet, dass Kohlenstoffionen effizient mit Protonen mitbeschleunigt wurden und kinetische Energien von 23 MeV/u erreichten. Diese Arbeit lieferte die Grundlage für Anwendungsexperimente bei moderater Teilchenenergie, insbesondere durch die Einrichtung einer Strahlführung für den Transport von laserbeschleunigten Protonen zu einer Plattform an Luft. Erste Demonstrationsexperimente umfassen Fokussierung von Protonen, Detektortests und eine Protonenradiographie.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Laser, Plasma, Ion, Spectrometry, Centre for Advanced Laser Applications,
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. Juli 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Schreiber, Jörg