Harres, Knut Jochen (2010)
Strahltransport laserbeschleunigter Ionen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit behandelt das Thema der laserbeschleunigten Ionenstrahlen, mit dem Fokus auf dem Transport lasererzeugter Protonen mit einer speziellen Ionenoptik, dem Solenoiden. Durchgeführt wurde die Dissertation in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik des Instituts für Kernphysik an der TU-Darmstadt in Zusammenarbeit mit der Plasmaphysikgruppe des GSI - Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Mit Hilfe des Solenoiden konnten Protonen mit Energien im MeV-Bereich eingefangen und kollimiert werden, um sie für nachfolgende Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Ein Ergebnis der Arbeit war der experimentelle Nachweis, dass sich ein Solenoid als ein erstes Bindeglied zwischen der Laser-Ionenbeschleunigung und einer darauf folgenden Strahlführung mit konventionellen Beschleunigerkomponenten eignet. Untersucht wurden laserbeschleunigte Ionen, die durch die Wechselwirkung eines hochintensiven Laserstrahls mit Materie erzeugt werden. Bei diesem Beschleunigungsprozess, der sogenannten Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), zeigt sich eine sehr große Divergenz der Einhüllenden des Ionenstrahls. Der Öffnungswinkel beträgt bis zu 50°. Die Grundvoraussetzung für eine Nutzbarmachung der laserbeschleunigten Ionen ist folglich die Kontrolle der Strahlpropagation und -aufweitung. Hintergrund für die angestrebte Nutzung der Ionen ist, dass laserbeschleunigte Strahlen bemerkenswerte Strahlparameter wie einen sehr hohen Teilchenfluss und hohe Teilchenenergien aufweisen. Darüber hinaus handelt es sich um sehr laminare Strahlen. Dies macht sie überaus interessant für diverse Anwendungen, z.B. als Diagnostik für transiente Phänomene, in der Trägheitsfusionsforschung und in einer Vielzahl anderer Bereiche. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Experimente zum Strahltransport laserbeschleunigter Ionen durchgeführt. Für das erste Experiment wurde ein Solenoid konstruiert, der speziell auf die Anforderungen zum Einfangen von laserbeschleunigten Protonen ausgelegt war. Die Sicherstellung der mechanischen Stabilität während des Pulsvorganges musste gewährleistet sein. Es wurden hohe magnetische Felder im Bereich bis zu 10 T benötigt, um die Protonen zu kollimieren, d.h. zu parallelisieren. Dazu wurde die Spule des Solenoiden mit Strömen im Kiloampere Bereich bei Spannungen von mehreren Kilovolt gepulst. Bei diesem Vorgang traten hohe mechanische Belastungen des Materials des Solenoiden auf, hervorgerufen durch den entstehenden magnetischen Druck von einigen zehn Megapascal. Der Solenoid wurde erfolgreich zur Strahlkollimierung eingesetzt. Bei einer magnetischen Feldstärke von 8,5 T konnten Teilchenzahlen von bis zu 1012 Protonen bei einer Energie von 2,3 MeV durch den Solenoiden eingefangen und über eine Strecke von insgesamt mehr als 300 mm bis zum Detektor transportiert werden. Damit konnte zum ersten Mal ein solch intensiver, laserbeschleunigter Protonenstrahl über eine längere Strecke erfolgreich geführt werden. Unter Verwendung eines neuen Solenoiddesigns, welches in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Dresden-Rossendorf entwickelt wurde, konnte in einem zweiten Experiment die Energie der kollimierten Protonen massiv erhöht werden. Die optimierte Konstruktion des Solenoiden ermöglichte den Transport von Protonen mit einer Energie von 13 MeV über eine Distanz von mehr als 400 mm, bei einer magnetischen Feldstärke von nur 7,7 T. Weitere interessante Erkenntnisse zeigten sich bei der Untersuchung des Strahltransports der Protonen, verursacht durch die mitfliegenden Elektronen. Diese Teilchen, die ebenfalls bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung beschleunigt wurden und vergleichbare Geschwindigkeiten und Teilchenzahlen wie die Protonen aufweisen, wurden im Solenoidfeld auf die Symmetrieachse der Spule gezwungen. Sie rotierten um die Achse mit einem Gyroradius von einigen zehn Mikrometern. Dadurch verlor der Gesamtstrahl seine Quasi-Neutralität, und es wurde ein hohes Raumladungsfeld durch die Elektronen erzeugt, wodurch es zu einer Protonenaggregation um die Solenoidachse kam. Dies zeigte sich in einer verstärkten Fokussierung des Solenoiden und in auftretenden Modulationen des Protonenstrahls, wie z.B. einer Ringstruktur. Die Existenz des intensiven, stark kollimierten Elektronenstrahls konnte experimentell nachgewiesen und dessen Einfluss auf die Propagation der Protonen durch Computersimulationen bestätigt werden. Zusätzlich zu den Experimenten zum Strahltransport wurden neue Targetgeometrien und deren Auswirkungen auf die Laser-Ionenbeschleunigung untersucht. Dabei wurde ein Effekt entdeckt, der bei der Verwendung hemisphärischer Targets auftrat und zu einer Verstärkung der Ionenbeschleunigung führte. Im Vergleich zu Beschleunigungen von flachen Folien erhöhte sich die maximale Protonenenergie um 18 %. Dieser Effekt konnte durch Computersimulationen erklärt werden. Durch die fokussierende Form des Targets kam es zu einer Aggregation von Elektronen und Protonen innerhalb der Hemisphäre, wodurch sich die Elektronendichte im Bereich der Symmetrieachse der Hemisphäre um das 2,5-fache im Vergleich zur flachen Folie erhöhte. Aus der höheren Dichte folgte ein stärkeres elektrisches Feld, das die Protonen beschleunigte. Die im Laufe dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse ermöglichten ein tieferes Verständnis für die Ionenbeschleunigung mit Lasern und speziell für den Transport der Strahlen durch ein Solenoidfeld. Es wurde gezeigt, dass der Solenoid die Voraussetzungen für eine strahlkollimierende Ionenoptik erfüllt, um laserbeschleunigte Ionen für weitere Anwendungen nutzen zu können.

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