Generation of monoenergetic ion beams with a laser accelerator

Pfotenhauer, Sebastian M. GND

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung monoenergetischer Protonen- und Ionenstrahlen mittels laserbasierter Teilchenbeschleuniger. Eine Methode wurde entwickelt, welche es erlaubt, die bei relativistischen Laser-Plasma-Wechelswirkungen auf Festköpertargets auftretenden Raumladungseffekte gezielt mit einer punktartigen Teilchenquelle zu kombinieren. Durch diese einzigartige Interaktionsgeometrie konnten zum ersten Mal Protonenstrahlen mit einem intrinsisch schmalen Energiespektrum mit einem wenige Mikrometer großen Laserbeschleuniger generiert werden. Der experimentelle Aufbau wurde im Verlauf der vergangenen drei Jahre konsequent im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und die maximal erzielten Teilchenenergien verbessert. Der daraus resultierende Grad an Verlässlichkeit erlaubte die Bestimmung der ersten Energie-Skalierungsgesetze speziell für monoenergetische Protonenstrahlen. Darüber hinaus konnte die Interaktionsgeometrie auf verschiedene Targetmaterialien übertragen werden, was die Erzeugung monoenergetischer Kohlenstoffstrahlen ermöglichte. Die experimentelle Arbeit wurde von der parallelen Entwicklung eines komplexen theoretischen Modells unterstützt, welches die Beobachtungen vollständig erklärt und in hervorragender Übereinstimmung mit zahlreichen numerischen Simulationen ist. Die hier vorgestellten Ergebnisse weisen weit über die Grenzen der vorliegenden Arbeit hinaus: Die Möglichkeit, zuverlässig monoenergetische Ionenstrahlen mittels kompakter, laserbasierte Teilchenbeschleuniger zu erzeugen ist, in Verbindung mit den einzigartigen Eigenschaften laserproduzierter Teilchenstrahlen, von fundamentaler Bedeutung für die Grundlagenforschung, für die Materialwissenschaften und potenzielle medizinische Anwendungen und wird maßgeblich zur Entwicklung einer neuen Generation von Beschleunigern beitragen.

A method for the generation of monoenergetic proton and ion beams from a laser-based particle accelerator is presented. This method utilizes the unique space-charge effects occurring during relativistic laser-plasma interactions on solid targets in combination with a dot-like particle source. Due to this unique interaction geometry, MeV proton beams with an intrinsically narrow energy spectrum were obtained, for the first time, from a micrometer-scale laser accelerator. Over the past three years, the acceleration scheme has been consistently improved to enhance both the maximum particle energy and the reliability of the setup. The achieved degree of reliability allowed to derive the first scaling laws specifically for monoenergetic proton beams. Furthermore, the acceleration scheme was expanded on other target materials, enabling the generation of monoenergetic carbon beams. The experimental work was strongly supported by the parallel development of a complex theoretical model, which fully accounts for the observations and is in excellent agreement with numerical simulations. The presented results have an extraordinarily broad scope way beyond the current thesis: The availability of monoenergetic ion beams from a compact laser-plasma beam source in conjunction with the unique properties of laser-produced particle beams addresses a number of outstanding applications in fundamental research, material science and medical physics, and will help to shape a new generation of accelerators.

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Pfotenhauer, Sebastian M.: Generation of monoenergetic ion beams with a laser accelerator. 2009.

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