Laser-driven acceleration of gold ions at the Centre for Advanced Laser Applications

Geulig, Laura Desiree (2025): Laser-driven acceleration of gold ions at the Centre for Advanced Laser Applications. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The majority of elements heavier than iron are produced through nucleosynthesis via neutron-capture processes, followed by β− decay that converts neutrons into protons, thus producing heavier elements. For the rapid neutron capture (r-)process the accumulation of neutrons is faster than the counteracting β− decay, producing isotopes far off the valley of stability. Groundbreaking observations of the LIGO-Virgo collaboration in 2017 established neutron star mergers as a major astrophysical site of the r-process. However, accurate modeling of this process requires experimental data on the nuclear properties of isotopes. Of special interest are isotopes around the waiting point at N=126, which governs the formation of actinides. Therefore, Habs et al. proposed the fission-fusion reaction scheme enabled by the laser-based acceleration of heavy, fissile ions like thorium or uranium. In this concept, ions are accelerated onto a second target of the same material, hereby inducing fission. The resulting asymmetric fragment distribution produces a heavy fragment and a light, neutron-rich fragment. The fusion of two neutron-rich, light fission fragments can create a nucleus close to the waiting point at N=126, enabled by the high particle densities achievable by laser-based acceleration. Building on earlier work that demonstrated the acceleration of heavy ions above the fission barrier at about 7 MeV/u, in the course of this thesis the experimental setup was transferred to the High Fields (HF) cave at the Centre for Advanced Laser Applications (CALA) in Garching. As for previous campaigns, gold was employed as a proxy for the acceleration of actinides, avoiding any safety regulations concerning radiation protection while similar acceleration characteristics are expected. Surface contaminants on the thin gold foils suppress the efficient acceleration of the heavy ions. Therefore an improved heating system was implemented, allowing to determine the temperature of the target by fitting Planck’s law to the emitted infrared spectrum. The differential acceleration for heated and unheated targets was investigated for the laser pulse parameters of the ATLAS-3000 system. Furthermore, two approaches for online detection of heavy ions were tested, aiming to exploit the high repetition rate capabilities of state-of-the-art laser systems like the ATLAS-3000. Finally, the surprising observation of heavy ion signals with a mass-to-charge ratio typically only attained by light ions and not reachable by gold ions were analyzed and identified as fission fragments of gold. This thesis therefore investigates potential mechanisms being responsible for this fission of gold ions.

Abstract

Die Mehrheit von Elementen schwerer als Eisen wird durch die Nukleosynthese über Neutroneneinfangprozesse gebildet, gefolgt von einem β− Zerfall, durch den Neutronen in Protonen umgewandelt werden und so für die Entstehung schwerer Elemente verantwortich sind. Beim schnellen Neutroneneinfang (r-Prozess) erfolgt die Anlagerung von Neutronen schneller als der gegenläufige β−-Zerfall, wodurch Isotope weit abseits des Tals der Stabilität erzeugt werden. Bahnbrechende Beobachtungen der LIGO-Virgo Kollaboration im Jahr 2017 etablierten die Verschmelzung von Neutronensternen als eine bedeutende astrophysikalische Quelle des r-Prozesses. Eine präzise Modellierung dieses Prozesses erfordert jedoch experimentelle Daten zu den Kerneigenschaften der beteiligten Isotope. Von besonderem Interesse sind dabei Isotope in der Nähe des Wartepunkts bei der magischen Neutronenzahl von N=126, der maßgeblich die Entstehung von Aktiniden bestimmt. Aus diesem Grund schlugen Habs et al. das Fission-Fusion Reaktionsschema vor, das auf der laserbasierten Beschleunigung schwerer, spaltbarer Ionen wie zum Beispiel von Thorium oder Uran beruht. In diesem Konzept werden die Ionen auf ein zweites Target aus demselben Material beschleunigt und induzieren dabei Kernspaltung. Die resultierende asymmetrische Fragmentverteilung liefert ein schweres Fragment sowie ein leichtes, neutronenreiches Fragment. Durch die Fusion zweier solcher leichter, neutronen- reicher Spaltfragmente kann ein Kern nahe des Wartepunkts bei N=126 entstehen. Dies wird ermöglicht durch die hohen Teilchendichten, die mit laserbasierter Beschleunigung erreichbar sind. Aufbauend auf früheren Arbeiten, in denen die Beschleunigung schwerer Ionen oberhalb der Spaltbarriere bei etwa 7 MeV/u demonstriert wurde, wurde der Versuchsaufbau in dieser Thesis in die High-Fields Kammer (HF) am Centre for Advanced Laser Applications (CALA) in Garching übertragen. Wie in den vorangegangenen Kampagnen wurde Gold als Stellvertreter für Aktiniden eingesetzt, worduch strahlenschutzrechtliche Auflagen vermieden werden konnten, während vergleichbare Beschleunigungseigenschaften erwartet werden. Oberflächenverunreinigungen auf den dünnen Goldfolien unterdrücken die effiziente Beschleunigung von Goldionen. Daher wurde ein verbessertes Heizsystem implementiert, welches es ermöglicht, die Temperatur des Targets durch Anpassung des Planckschen Strahlungsgesetzes an das emittierte Infrarotspektrum zu bestimmen. Der Unterschied in der Beschleunigung zwischen erhitzten und nicht erhitzten Targets wurde für die Laserpulsparameter des ATLAS-3000-Systems untersucht. Darüber hinaus wurden zwei Ansätze zur Online-Detektion schwerer Ionen getestet, um die hohen Schussraten moderner Lasersysteme wie des ATLAS-3000 zu nutzen. Schließlich wurden überraschende Signale schwerer Ionen beobachtet, deren Masse-zu-Ladungsverhältnis typischerweise nur von leichten Ionen erreicht werden kann und für Goldionen nicht zugänglich ist. Diese Signale konnten als Spaltfragmente von Gold identifiziert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht daher potenzielle Mechanismen, die für diese Spaltung von Goldionen verantwortlich sein könnten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: laser-driven ion acceleration, fission-fusion, r-process, fission
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. November 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Thirolf, Peter