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Spectral Analysis of Laser-Driven, Layered X-Ray Backlighter Targets

Sander, Steffen (2023)
Spectral Analysis of Laser-Driven, Layered X-Ray Backlighter Targets.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023122
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In this thesis, a layered X-ray backlighter target with front side modifications for optimal laser target coupling is developed. The testing of this novel target design was done at the PHELIX laser system, located at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. This dissertation was carried out within the laser and plasma physics group of the Institut für Kernphysik at the Technische Universität Darmstadt.

X-ray radiation is an invaluable tool for the diagnosis of high energy density (HED) experiments. Strong X-ray emission can be generated, among other things, through the irradiation of solid-state targets by high-energy short-pulse lasers with intensities above 10^18 W cm^−2. The resulting photon flux is in the order of 10^10 - 10^11 ph J^−1 within a narrow spectral bandwidth. The possible applications of such a source include radiography and scattering studies of dense plasmas in order to determine key thermodynamic variables like temperature or density. Two types of X-ray backlighter sources are commonly used, which can be differentiated by the degree of ionization of the emitting material. For weak ionization, the spectrum is very similar to the characteristic X-ray line emission and is called Kα radiation. With rising ionization the energy of the X-rays increases as well, leading to thermal line emission for highly ionized sources. However, thermal line emission cannot be produced efficiently with laser driven backlighters for photon energies beyond 10 keV, as more and more electrons have to be ionized from the heavier elements. Therefore, for high energy line emission, a laser-driven Kα source is preferred.

Within the scope of this thesis, a novel laser driven Kα source was developed and successfully tested. The goal was two-fold. Primarily, an improvement of the energy transfer from laser into target to increase the number of emitted Kα photons should be achieved. In order to fulfil this goal, front side modifications in form of cone-like microstructures were used. Secondly, a thermal isolation of the emitting material from the laser plasma interaction region should be achieved. This produces a clean spectrum without any additional thermal line emission. This was done by constructing the target from two layers, namely the aforementioned front side modifications and a back side layer of different material for the X-ray emission.

The performance of the developed target was studied in an experiment with the PHELIX laser system. The observed spectra from the layered target displayed a successful suppression of thermal line emission, displaying the effective thermal isolation. This result is further supported with a spectroscopic line shape analysis to determine the mean electron temperature within the emitting material. Temperatures of 31 - 42 eV were found, indicating a weak ionization without involvement of the two inner-most electron shells.

The total number of Kα photons were measured to be in the order of 10^10 ph J^−1. A clear increase of factor 2 - 3 in Kα photons due to the microstructures on the front side was demonstrated. The source size of the targets were determined to be 140 - 200 μm. The orientation of the cone-like microstructures with respect to the laser were varied as well and displayed a clear influence on the Kα yield and source size. For a parallel alignment, the highest photon flux of 3.9 × 10^11 ph J^−1 mm^−2 was found. Atomic radiative simulations were successfully used to determine the electron temperature in the backside layer to 31 - 42 eV.

Another unique feature of the layered target design is the possibility to influence the source size through the shape of the back side layer. The source size was successfully reduced to 100 μm using a circular shaped back side layers of the same dimensions. With these targets it was also possible to demonstrate the possibility of generating two spatially separated, distinct sources from one target.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Sander, Steffen
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Spectral Analysis of Laser-Driven, Layered X-Ray Backlighter Targets
Sprache: Englisch
Referenten: Roth, Prof. Dr. Markus ; Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xvi, 97 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 11 April 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023122
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23122
Kurzbeschreibung (Abstract):

In this thesis, a layered X-ray backlighter target with front side modifications for optimal laser target coupling is developed. The testing of this novel target design was done at the PHELIX laser system, located at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. This dissertation was carried out within the laser and plasma physics group of the Institut für Kernphysik at the Technische Universität Darmstadt.

X-ray radiation is an invaluable tool for the diagnosis of high energy density (HED) experiments. Strong X-ray emission can be generated, among other things, through the irradiation of solid-state targets by high-energy short-pulse lasers with intensities above 10^18 W cm^−2. The resulting photon flux is in the order of 10^10 - 10^11 ph J^−1 within a narrow spectral bandwidth. The possible applications of such a source include radiography and scattering studies of dense plasmas in order to determine key thermodynamic variables like temperature or density. Two types of X-ray backlighter sources are commonly used, which can be differentiated by the degree of ionization of the emitting material. For weak ionization, the spectrum is very similar to the characteristic X-ray line emission and is called Kα radiation. With rising ionization the energy of the X-rays increases as well, leading to thermal line emission for highly ionized sources. However, thermal line emission cannot be produced efficiently with laser driven backlighters for photon energies beyond 10 keV, as more and more electrons have to be ionized from the heavier elements. Therefore, for high energy line emission, a laser-driven Kα source is preferred.

Within the scope of this thesis, a novel laser driven Kα source was developed and successfully tested. The goal was two-fold. Primarily, an improvement of the energy transfer from laser into target to increase the number of emitted Kα photons should be achieved. In order to fulfil this goal, front side modifications in form of cone-like microstructures were used. Secondly, a thermal isolation of the emitting material from the laser plasma interaction region should be achieved. This produces a clean spectrum without any additional thermal line emission. This was done by constructing the target from two layers, namely the aforementioned front side modifications and a back side layer of different material for the X-ray emission.

The performance of the developed target was studied in an experiment with the PHELIX laser system. The observed spectra from the layered target displayed a successful suppression of thermal line emission, displaying the effective thermal isolation. This result is further supported with a spectroscopic line shape analysis to determine the mean electron temperature within the emitting material. Temperatures of 31 - 42 eV were found, indicating a weak ionization without involvement of the two inner-most electron shells.

The total number of Kα photons were measured to be in the order of 10^10 ph J^−1. A clear increase of factor 2 - 3 in Kα photons due to the microstructures on the front side was demonstrated. The source size of the targets were determined to be 140 - 200 μm. The orientation of the cone-like microstructures with respect to the laser were varied as well and displayed a clear influence on the Kα yield and source size. For a parallel alignment, the highest photon flux of 3.9 × 10^11 ph J^−1 mm^−2 was found. Atomic radiative simulations were successfully used to determine the electron temperature in the backside layer to 31 - 42 eV.

Another unique feature of the layered target design is the possibility to influence the source size through the shape of the back side layer. The source size was successfully reduced to 100 μm using a circular shaped back side layers of the same dimensions. With these targets it was also possible to demonstrate the possibility of generating two spatially separated, distinct sources from one target.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine mehrschichtige Festkörperprobe, im folgenden Target genannt, als Röntgenquelle mit frontseitigen Modifikationen für eine optimale Laser-Target-Kopplung entwickelt. Die Erprobung dieses neuartigen Targets erfolgte am Lasersystem PHELIX am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Durchgeführt wurde diese Dissertation in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt.

Röntgenstrahlung ist ein unschätzbares Werkzeug für die Diagnose von Zuständen hoher Energiedichte (high energy density (HED)). Intensive Röntgenemission kann unter anderem durch die Bestrahlung von Targets mit hochenergetischen Kurzpulslasern mit Intensitäten über 10^18 W cm^−2 erzeugt werden. Der resultierende Photonenfluss liegt in der Größenordnung von 10^10 - 10^11 ph J^−1 innerhalb einer engen spektralen Bandbreite. Zu den möglichen Anwendungen einer solchen Quelle gehören Radiographie und Streustudien an dichten Plasmen, um wichtige thermodynamische Größen wie Temperatur oder Dichte zu bestimmen. Hauptsächlich werden zwei Arten von lasergetriebenen Strahlungsquellen verwendet, die sich durch den Ionisierungsgrad des emittierenden Materials unterscheiden lassen. Bei schwacher Ionisierung ist das Spektrum dem der charakteristischen Röntgenstrahlung sehr ähnlich und wird als Kα Strahlung bezeichnet. Mit zunehmender Ionisierung steigt auch die Energie der Röntgenstrahlung, was bei stark ionisierten Quellen zu thermischer Linienemission führt. Bei Photonenenergien jenseits von 10 keV kann die thermische Linienemission mit laserbetriebenen Quellen jedoch nicht effizient erzeugt werden, da für schwerere Elemente immer mehr Elektronen ionisiert werden müssen. Daher wird für die Emission hochenergetischer Linien eine lasergetriebene Kα Quelle bevorzugt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige lasergetriebene Kα Quelle entwickelt und erfolgreich getestet. Zwei Ziele wurden für diese Arbeit definiert. In erster Linie sollte eine Verbesserung des Energietransfers vom Laser zum Target erreicht werden, um die Anzahl der emittierten Kα Photonen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden frontseitige Modifikationen in Form von kegelförmigen Mikrostrukturen eingesetzt. Zweitens sollte eine thermische Isolierung des emittierenden Materials von der Wechselwirkungsregion des Laserplasmas erreicht werden. Dadurch wird ein sauberes Spektrum ohne zusätzliche thermische Linienemission erzeugt. Dies wurde durch den Aufbau des Targets aus zwei Schichten erreicht, nämlich die bereits erwähnte Modifikation auf der Vorderseite und eine Rückseitenschicht aus einem anderen Material für die Strahlungsemission.

Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Targets wurde in einem Experiment mit dem Lasersystem PHELIX untersucht. Die beobachteten Spektren des Targets zeigten eine erfolgreiche Unterdrückung der thermischen Linienemission, was auf eine effektive thermische Isolierung hindeutet. Dieses Ergebnis wird durch eine spektroskopische Analyse der Linienform zur Bestimmung der mittleren Elektronentemperatur innerhalb des emittierenden Materials unterstützt. Es wurden Temperaturen im Bereich von 31 - 42 eV festgestellt, was auf eine schwache Ionisierung ohne Beteiligung der beiden innersten Elektronenschalen hinweist.

Die Gesamtzahl der Kα Photonen wurde in der Größenordnung von 10^10 ph J^−1 gemessen. Es wurde eine deutliche Zunahme der Kα Photonen um den Faktor 2 - 3 aufgrund der Mikrostrukturen auf der Vorderseite nachgewiesen. Die Quellgröße der Targets wurde auf 140 - 200 μm bestimmt. Die Ausrichtung der kegelförmigen Mikrostrukturen in Bezug auf den Laser wurde ebenfalls variiert und zeigte einen deutlichen Einfluss auf die Kα Ausbeute und Quellengröße. Bei einer parallelen Ausrichtung wurde die höchste Photonendichte von 3.9 × 10^11 ph J^−1 mm^−2 gemessen. Atomare Strahlungssimulationen wurden erfolgreich genutzt um die Elektronentemperatur in der Rückseitenschicht auf 31 - 42 eV zu bestimmen.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal des mehrschichtigen Targets ist die Möglichkeit, die Größe der Quelle durch die Formung der Rückseitenschicht zu beeinflussen. Für kreisförmige Rückseitenschichten mit einem Durchmesser von 100 μm konnte die Quellgröße erfolgreich auf ebendieses Maß reduziert werden. Mit diese Targets konnte ebenfalls gezeigt werden, dass es möglich ist zwei räumlich getrennte, unterschiedliche Quellen mit einem Target zu erzeugen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-231227
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Hinterlegungsdatum: 24 Jan 2023 13:10
Letzte Änderung: 31 Jan 2023 08:59
PPN:
Referenten: Roth, Prof. Dr. Markus ; Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 11 April 2022
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