Ce travail comprend à la fois une étude de faisabilité expérimentale sur l'accélération des ions par laser, ainsi que l'étude de la source, des limites et de l'utilité des courants électriques générés par laser pour la mise en forme spatiale et spectrale des faiseaux d'ions. Les prédictions théoriques conceptuelles et numériques existantes sont comparées à des découvertes expérimentales, et soutenues par de nouvelles simulations PIC et des modèles heuristiques. Les résultats comprennent (I) une démonstration de l'accélération des ions hélium par un laser ultrarelativiste à partir des cibles gazeuses proches de la densité critique à l'aide de buses de choc, (II) une exploration plus approfondie des mécanismes générateurs de champ dans les lentilles électromagnétiques applicable aux faisceaux de particules chargées, à la fois dans un régime quasi-statique piloté par des lasers ns et également en régime transitoire piloté par des lasers sub-ps, et (III) études sur le transport de faisceaux d'ions accélérés par laser dans des champs électromagnétiques et magnétiques.

La source d'ions hélium génère des énergies maximales de 55MeV. Cette gamme d'énergie est adaptée à la production d'isotopes dans le cadre de la thérapie alpha. La destruction des buses de choc dans l'environnement experimentale violente et la perspective d'un fonctionnement avec un taux de répétition élevé soulignent le besoin de buses fabriqué par une production de masse avec échange de buses automatisé et de puissants systèmes de vide.

Les plates-formes de lentilles electromagnetiques pilotées par des lasers ns montrent une intensité de courant comparable dans le plasma et la boucle consommateur, ce que la modélisation théorique de la plate-forme en tant que diode plasma peut le mieux interpréter. Pendant l'irradiation avec le laser, le plasma en expansion crée de forts effets de charge d'espace au voisinage de la lentille magnétique, qui font obstacle à un guidage efficace des faisceaux d'ions par une telle lentille. Une géométrie de la plate-forme est présentée qui réduit ces effets.

La décharge de solides par de courtes impulsions laser conduit à une propagation pulsée du potentiel électrique le long de la surface. Ce travail montre qu'un courant de décharge pulsé originaire de la terre suit cette impulsion de décharge électromagnétique. Les deux transportent des courants dans la gamme de kA. Des observations expérimentales de la dynamique d'impulsion de décharge pendant plusieurs dizaines de ps indiquent la présence d'un plasma de surface chaude. La température et la densité électronique du plasma de surface sont des paramètres de contrôle prometteurs pour la dispersion des impulsions de décharge. La branche supérieure de la relation de dispersion est responsable d'une vitesse de groupe différente de la vitesse de la lumière. Les solutions sur la branche inférieure correspondent à des modulations observées du potentiel en dimension spatiale et en taux de croissance temporelle.

Des études expérimentales et numériques des plates-formes pilotées par de courtes impulsions laser montrent leur applicabilité à la mise en forme spectrale des faisceaux ioniques, en particulier la faisabilité de la compression temporelle grâce à la post-accélération efficace des parties à faible énergie du spectre. L'étude expérimentale d'une géométrie à double bobine et l'étude numérique d'une bobine hélicoïdale sont présentées.

Les expériences futures qui nécessitent des faisceaux d'ions accélérés par laser avec un taux de répétition élevé motivent la connexion des approches présentées. Une application possible est la production d'isotopes et les recherches fondamentales possibles vont des études sur les effets collectifs de la perte d'énergie des particules dans la matière et la génération de matière chaude et dense à une source de particules optimisée pour d'allumage dans des expériences de fusion.

Diese Arbeit umfasst sowohl eine experimentelle Machbarkeitsstudie zur Laserionenbeschleunigung aus Materie im Bereich der nah-kritischen Dichte, als auch die Untersuchung von Mechanismen, Limitationen und Einsatzmöglichkeiten von lasergetriebenen elektrischen Strömen für eine räumliche und spektrale Formung von Ionenstrahlen. Vorhandene konzeptuelle und numerische theoretische Vorhersagen werden mit neuen experimentellen Befunden verglichen, und im Weiteren unterstützt durch neue PIC Simulationen und heuris- tische Modelle. Die Ergebnisse umfassen (I) eine Demonstration von Laserheliumionenbeschleunigung aus Gasen nah der kritischen Dichte durch ultrarelativistische Laserpulse unter Verwendung von Schockdüsen, (II) die weitere Ergründung der felderzeugenden Mechanismen in elektromagnetischen Linsen für geladenen Teilchenstrahlen, im sowohl quasi statischen Regime angetrieben durch ns Laser als auch im transienten Re- gime angetrieben durch sub-ps Laser, und (III) Studien zum Transport von laserbeschleunigten Ionenstrahlen durch elektromagnetische und magnetische Felder.

Die Heliumionenquelle zeight breite Spektren mit Maximalenergien über 55 MeV. Dieser Energiereich ist für die Isotopenproduktion im Rahmen der Alpha-Therapie geeignet. Die Zerstörung von Schockdüsen in der strapaziösen Versuchsumgebung und der Ausblick auf den Betrieb mit hoher Wiederholungsrate unter- streichen die Notwendigkeit von massenproduzierbaren Düsen mit automatisiertem Düsenaustausch und leistungsstarken Vakuumsystemen.

Linsenplattformen getrieben durch ns Laser zeigen eine vergleichbare Stromstärke im Plasma und der Ver- braucherschleife, was die theoretische Modellierung der Plattform als Plasma-Dioden-Stromquelle am besten zu deuten vermag. Während der Bestrahlung mit dem Laser treten durch das expandierende Laserplasma in der Nähe der magnetischen Linse starke Raumladungseffekte auf, die einer effizienten Strahlführung von Ionen im Wege stehen. Es wird eine Geometrie der Plattform vorgestellt, die Raumladungseffekte verringert. Die Entladung von Festörpern durch kurze Laserpulse führt zu einer gepulsten Ausbreitung des elektrischen Potentials entlang der Oberfläche. Diese Arbeit zeigt, dass ein Impulsendladungsstrom ausgehend von der Erdung auf diesen elektromagnetischen Endladungsimpuls folgt. Beide tragen Ströme im kA-Bereich. Ex- perimentelle Beobachtungen der gepulste Stromdynamik auf Zeitskalen von mehreren zehn ps deuten das Vorhandensein eines heißen Oberflächenplasmas an. Temperatur und Elektronendichte des Oberflächen- plasmas sind vielversprechende Kontrollparameter für die Endladungsimpulsdispersion. Der obere Zweig der Dispersionsrelation ist für eine von der Lichtgeschwindigkeit verschiedenen Gruppengeschwindigkeit verantwortlich. Lösungen auf dem unteren Zweig stimmen mit Modulationen des Potentials in räumlicher Dimension und zeitlicher Wachstumsrate überein.

Experimentelle und numerische Studien der durch kurze Laserpulse angetrieben Plattformen zeigen deren Anwendbarkeit auf spektrale Ionenstahlformung, insbesondere die Realisierbarkeit von zeitlicher Kompression durch die effiziente Nachbeschleunigung von niederenergetischen Teilen des Spektrums. Die experimentelle Untersuchung einer einfachen Doppelspulengeometrie und die numerische Untersuchung einer Helixspule werden präsentiert.

Diese Arbeit motiviert die Verbindung der vorgestellten Ansätze für zukünftige Experimente, die laserbeschleu- nigte Ionenstrahlen mit hoher Wiederholungsrate benötigen. Eine mögliche Anwendung ist die Herstellung von Isotopen und mögliche Grundlagenforschung reicht von Studien zu kollektiven Effekten beim Energie- verlust von Teilchen in Materie über die Erzeugung warmer dichter Materie bis hin zu einer optimierten Zündpartikelquelle für Fusionsexperimente.