Development and implementation of water-leaf targets for laser-ion acceleration at CALA

He, Lianren (2025): Development and implementation of water-leaf targets for laser-ion acceleration at CALA: first demonstration of a 20 MeV, 0.1 Hz proton source. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die lasergetriebene Ionenbeschleunigung hat aufgrund ihres Potenzials, kompakte Protonenquellen mit hoher Flussdichte für vielfältige wissenschaftliche und industrielle Anwendungen bereitzustellen, erhebliche Aufmerksamkeit erlangt. Herausforderungen bei der Erzielung eines langfristigen, stabilen, reproduzierbaren und hochfrequenten Protonenstrahls haben jedoch den Übergang von Machbarkeitsstudien zu praktischen Anwendungen eingeschränkt. Diese Dissertation adressiert diese Herausforderungen durch die Entwicklung und experimentelle Demonstration eines Wasserfilm-Targets, das in die Laser-Ionen-Beschleunigungsstation des Center for Advanced Laser Applications (CALA), die sogenannte LION-Kammer, integriert wurde. Das Wasserfilm-Target-System zeigte einen stabilen Betrieb unter Vakuumbedingungen (1, 0 × 10−4 bis 1, 0 × 10−3 mbar) über Zeiträume von mehr als 10 Stunden. Die präzise Positionskontrolle des Systems ermöglichte eine systematische Optimierung wichtiger experimenteller Parameter, darunter axiale Bewegungen entlang des Laserstrahls, vertikale Anpassungen zur Variation der Targetdicke (im Bereich von 2 μm bis 20 μm) sowie Korrekturen von Rotationsfehlausrichtungen zwischen den einzelnen Laserschüssen. Experimentelle Untersuchungen mit dem ATLAS-3000-Lasersystem, das 27-fs-Pulse mit Energien von bis zu 10 J (entsprechend einer Spitzenleistung von 300 TW) liefert, zeigten die Effizienz des Wasserfilms für die Protonenbeschleunigung. Es wurden maximale Protonenenergien von bis zu 30 MeV erreicht, wobei Skalierungsgesetze darauf hinweisen, dass Protonenenergien von über 60 MeV möglich sind, wenn die volle Laserenergie von 60 J auf das Ziel fokussiert wird. Ein bedeutender Erfolg war die reproduzierbare Erzeugung hochfrequenter Protonenbündel über 400 Schüsse mit einer Wiederholfrequenz von 0,1 Hz. Die Experimente zeigten einen stabilen Betrieb mit Protonenenergien von bis zu 30 MeV (im Mittel 22 MeV) bei 10 J Laserenergie auf dem Target, was die Bereitschaft des Systems für praktische Anwendungen unterstreicht. Darüber hinaus untersuchte die Dissertation den Einfluss der Laserpolarisation auf die Protonenbeschleunigung. Modulationen im Protonenspektrum wurden vor allem mit zirkluarer Polarisation beobachtet und sind vermutlich auf die Präsenz von Ionen unterschiedlicher Ladungszustände während der Strahlungsdruck-dominierten Phase zurckzuführen. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die komplexen Dynamiken der lasergetriebenen Ionenbeschleunigung und eröffnen Wege für weitere Untersuchungen zur Manipulation und Optimierung der Ionen-Verteilungen.

Abstract

Laser-driven ion acceleration has garnered significant attention for its potential to generate compact, high-flux proton sources suitable for diverse scientific and industrial applications. However, challenges in achieving long-term, stable, reproducible, and high-repetition-rate proton bunches have limited its transition from proof-of-principle demonstrations to practical applications. This thesis addresses these challenges through the development and experimental demonstration of water-leaf targets, which has been integrated into the laser-ion acceleration end station of the Center for Advanced Laser Applications (CALA), known as the LION chamber. The water-leaf target system demonstrated sustained operation in vacuum conditions (1.0 × 10−4 to 1.0 × 10−3 mbar) for durations exceeding 10 hours. The system’s precise positional control enabled systematic optimization of key experimental parameters, including axial movements along the laser beam, vertical adjustments for target thickness variation (ranging from 2 μm to 20 μm), and corrections for rotational misalignments between shots. Experimental investigations conducted with the ATLAS-3000 laser system, delivering 27 fs pulses with energies of up to 10 J (corresponding to 300 TW peak power), revealed the water-leaf target’s capability for efficient proton acceleration. The results demonstrated maximum proton energies of up to 30 MeV, with scaling laws predicting proton energies exceeding 60 MeV using the full 60 J ATLAS-3000 laser energy on target, assuming consistent target parameters. A significant achievement was the reproducible, high-repetition-rate generation of proton bunches, recorded over 400 shots at 0.1 Hz. The experiments demonstrated stable operation, producing proton energies up to 30 MeV (average 22 MeV) at 10 J laser energy on target—highlighting the system’s stability and repeatability for practical applications. Furthermore, the thesis explored the influence of laser pulse polarization on proton acceleration. Modulations in proton spectra were observed repeatedly and more consistently with circular polarization. This hints at the presence of ions with different charge states during radiation-pressure-assisted acceleration. These findings provide novel insights into the complex dynamics of laser-driven ion acceleration and open pathways for further investigation into spectrum manipulation and optimization.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. März 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Schreiber, Jörg