Experiments on Laser-Based Particle Acceleration- Beams of Energetic Electrons and Protons PDF
Preview Experiments on Laser-Based Particle Acceleration- Beams of Energetic Electrons and Protons
Experiments on Laser-Based Particle Acceleration Beams of Energetic Electrons and Protons Svensson, Kristoffer 2016 Document Version: Publisher's PDF, also known as Version of record Link to publication Citation for published version (APA): Svensson, K. (2016). Experiments on Laser-Based Particle Acceleration: Beams of Energetic Electrons and Protons (1 ed.). [Doctoral Thesis (compilation), Atomic Physics]. Division of Atomic Physics, Department of Physics, Faculty of Engineering, LTH, Lund University. Total number of authors: 1 General rights Unless other specific re-use rights are stated the following general rights apply: Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal Read more about Creative commons licenses: https://creativecommons.org/licenses/ Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. LUND UNIVERSITY PO Box 117 221 00 Lund +46 46-222 00 00 Experiments on Laser-Based Particle Acceleration Beams of Energetic Electrons and Protons Kristoffer Svensson Doctoral Thesis ExperimentsonLaser-BasedParticleAcceleration– BeamsofEnergeticElectronsandProtons ©KristofferSvensson Allrightsreserved PrintedinSwedenbyMedia-Tryck,Lund, DivisionofAtomicPhysics DepartmentofPhysics FacultyofEngineering,LTH LundUniversity P.O.Box SE–Lund Sweden http://www.atomic.physics.lu.se LundReportsonAtomicPhysics,LRAP- ISBN:----(print) ISBN:----(pdf) ISSN:- ToElisabeth—Youarethesunshineofmylife. Abstract This thesis describes experiments involving laser-plasma-based acceleration of electrons and protons, using the techniques of laser wakefield acceleration (LWFA) andtargetnormalsheathacceleration(TNSA).Byusingextremelyhighaccelerating fieldstrengths,uptotheorderofTVm−,itispossibletoreachhighkineticparticle energiesoververyshortdistances. Themulti-terawattlasersystemattheLundLaserCentre,withfocusedlaserpulse intensitiesreachingoverWcm−,wasusedintheseexperiments. Thelaserpulses werefocusedondifferenttypesoftargets,dependingontheaccelerationtechnique. When using LWFA, the target was usually a gas, which is instantly ionized. As the laserpulsepropagatesthroughtheplasma,aplasmawaveisinducedthatcanbeused toaccelerateelectrons. Astheelectronsareaccelerated,theyalsooscillateaboutthe centralaxis,whichproducesbetatronradiationthatextendstox-rayenergies. Inthe experimentalinvestigationspresentedinthisthesis,bothsupersonicgasjetsandgas- filledcapillarytubeswereusedastargets. WhenusingTNSA,thetargetswereusually aluminumfoils,whilesomeexperimentswerecarriedoutonstructuredtargetsand verysmallhollowspheres. Whenthelaserpulsehitsasolidtarget,electronsfromthe front surface of the target are driven through the target. As these electrons exit the rearsurface,theyformanelectronsheath,whichcreatesverystrongelectricalfields, inwhichpositivelychargedparticles,suchasprotons,canbeaccelerated. InsomeoftheLWFAexperiments,electronsautomaticallyentertheaccelerating partoftheplasmawavethroughastochasticprocesscalledself-injection. Thisprocess wasstudied,anditwasshownthattemporalandspectrallaserpulseself-compression and focal spot quality are important for electron injection to occur. A model predicting when self-injection occurs for certain parameters was also developed. In anotherstudy,itwasfoundthatthenumberdensityinsupersonicgasflowsdepends on the choice of gas. To obtain better control over how the electrons are injected, densitygradientinjectionwasused,whichresultedinelectronbeamswithincreased charge, decreased spatial divergence, and better shot-to-shot stability compared to electronbeamsrelyingonself-injection. Experimentsusinggas-filleddielectriccapillariesshowedanorderofmagnitude increaseinx-rayfluencecomparedtosupersonicgasjets. Theaccelerationandx-ray v Abstract generationprocessesincapillarytubeswerealsostudiedinmoredetail,showingthat theprocessesoccurredoverseveralmillimeters. In two of the TNSA studies, double laser pulses were used. It was found that the spatial separation and relative intensities of the two pulses were important, and affectedthespatialprofileoftheresultingprotonbeams. Alaserpulseseparationon the order of the size of the laser spot was found to result in elliptical proton beam profiles. Furthermore, the elliptical profile could be tilted by changing the relative intensitiesofthetwolaserpulses,asaresultofthetransverseexpansionoftheelectron sheath. This sheath expansion was also utilized with the hollow spherical targets, where an increase in proton number was observed in the energy range .MeV to .MeV. Experiments on thin foil targets with very small surface structures showed that thespatialdivergenceoftheprotonbeamswasgreatlyaffectedbythestructureson therearsurface. vi Populärvetenskaplig sammanfattning Inom vetenskap och forskning används ofta partiklar som färdas med hög hastighet. Partikelstrålarharanvändninginom,blandannat,biologi,kemi,medicin, materialvetenskap och grundläggande fysik. Large Hadron Collider (LHC) på CERN är en forskningsanläggning där positivt laddade protoner med mycket hög hastighetkrockarmedvarandraföratthittaatomernasminstabyggstenar. Eftersom protonerna där färdas i nästan ljusets hastighet, innebär det att deras rörelseenergi är mycket hög då de krockar med varandra. Protonstrålar har även medicinska tillämpningar, till exempel för behandling av cancertumörer. Det finns dessutom anläggningardärelektronersenergiökaskraftigt,tillexempelMaxIViLund. Dessa elektronstrålaranvändsrutinmässigtförattskapamycketintensivröntgenstrålning. Förattuppnåhögaenergiermåstepartiklarnaaccelererasöverlångasträckoroch därför är mycket stora acceleratorer nödvändiga. Detta betyder i sin tur mycket stora ekonomiska investeringar. En vanlig accelerator består av en serie ihåliga metallkonstruktioner, eller kaviteter, där elektriskt laddade partiklar accelereras med hjälp av elektriska fält. Den slutliga partikelenergin beror på den elektriska fältstyrkan samt accelerationslängden. Vid för höga fältstyrkor kommer dock acceleratorn att skadas, vilket begränsar de elektriska fält som kan användas för att accelererapartiklar. Dettaisinturbestämmerdenkortasteaccelerationssträckansom krävs för att uppnå en viss energi hos partiklarna. Rent praktiskt innebär detta att många av dagens acceleratorer är mycket stora maskiner, ofta av storleksordningen hundratalsmeter. Den här avhandlingen beskriver experiment där laddade partiklar istället accelererastillhögaenergiergenomväxelverkanmellanenmycketintensivlaserpuls och materia placerad i en vakuumkammare. Den höga ljusintensiteten nås genom att fokusera en laserpuls med hög effekt till en mycket liten fläckstorlek. Laserns fläckstorlek är ungefär µm, vilket kan jämföras med tjockleken av ett mänskligt hårstrå,somvanligtvisärmellanµmochµm. Denhögaeffektenhosljusetges avattlaserpulsenitidärextremtkort,runtfs. Enfsärenmiljondelsmiljarddels sekund (,s) och under fs hinner ljus endast färdas µm, vii Populärvetenskapligsammanfattning vilketåterigenärkortareänetthårstråstjocklek. Dådettamycketstarkalaserljusväxelverkarmedmateriaskapasettplasma,vilket innebär att de atomer som utgör strålmålet bryts isär och kvar finns fria elektroner och positiva joner. Plasma är ett så kallat aggregationstillstånd, på samma sätt som gas,vätskaochfastform,ochkanbeskrivassomengasavfria,laddadepartiklar. Det gårävenattdelainplasmoritvåolikatyper; ogenomskinliga ochgenomskinliga, där skillnadenärattdenförstnämndareflekterarljus,medanljuskanfärdasgenomden andra. Denfysikaliskaskillnadenmellandessaplasmorärtäthetenavfriaelektroner, där ett genomskinligt plasma har lägre elektrontäthet än ett ogenomskinligt. I det arbetesombeskrivsidennaavhandlingskapasgenomskinligaplasmoroftastgenom att fokusera intensivt laserljus i en gas, ett ogenomskinligt plasma skapas däremot dålaserpulsenväxelverkarmedettstrålmålifastform,eftersomdettaresulterarien högelektrontäthet. Förattskapaettplasmakrävsendastdenallrafrämstadelenav laserpulsen, varför den starkaste delen av den kommer att interagera med just ett plasma. Ljuset kommer att trycka undan elektriskt laddade partiklar från det mest ljusintensiva området, mot delar av plasmat där ljusintensiteten är lägre. Eftersom tidsrymdendettapågårärväldigtkort,såkommerendastdelättastepartiklarnaatt hinnaförflyttas,detvillsägaelektronerna. För ett ogenomskinligt plasma kommer, som nämnts tidigare, laserpulsen att reflekteras. Däremot kommer de elektroner som tryckts undan av ljuset att färdas genom plasmat. Om strålmålet är en tunn folie kan då dessa negativt laddade elektroner tränga ut på andra sidan av strålmålet, vilket behåller sin struktur under denna tidsrymd. Elektronerna ger där upphov till ett mycket starkt elektriskt fält, med en typisk styrka av biljoner volt per meter, där positivt laddade partiklar från foliens baksida slits loss och accelereras. Denna accelerationsteknik kallas på engelska för Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). I de experiment som utgör grunden till denna avhandling har protoner accelererats till energier runt MeV (megaelektronvolt) över en sträcka som uppskattas till µm. Protoner med denna rörelseenergi färdas då med ungefär % av ljusets hastighet. I vissa av de utförda experimenten användes dubbla laserpulser, där deras relativa intensitet, rumsliga separation samt ankomsttid vid strålmålet kunde varieras. I några andra experiment användes istället strålmål med mer komplicerad geometri, till exempel små försilvrade, ihåliga sfärer samt folier med mycket små strukturer på ytan. I samtligaexperimentharegenskapernahosderesulterandeprotonstrålarnastuderats. Om ljuset istället interagerar med ett genomskinligt plasma tränger laserpulsen igenom och trycker undan elektroner ur sin väg vilka börjar att svänga fram och tillbaka runt sin ursprungliga position. Resultatet blir en periodisk förändring av elektrontätheten efter laserpulsen, där det inom vissa områden är en väldigt hög koncentration, medan det under vissa förutsättningar i andra inte finns några elektroner alls. Denna del kallas för en kölvåg bakom laserpulsen. Här kan laserpulsen liknas vid en båt som färdas framåt genom vattnet och ger upphov till en våg rakt bakom sig. Variationen av elektrontätheten kommer i sin tur att ge upphov till starka elektriska fält, vanligtvis av storleksordningen miljarder volt per viii Populärvetenskapligsammanfattning Tabell1Accelerationstekniker Exempel på olika acceleratoranläggningar och motsvarande prestanda hos experiment från avhandlingsarbetetdärTNSAochLWFAharanvänts Protoner Elektroner Accelerator InjektorvidLHC TNSA InjektorvidMaxIV LWFA Partikelenergi[MeV] 50 10 3000 300 Accelerationssträcka[m] 34 0,00001 300 0,003 Medelfältstyrka[MV/m] 1,5 1000000 10 100000 meter. Denna fältstyrka är tusentals gånger starkare än de som kan användas i konventionella acceleratorer. Om en elektron inträder i en del av kölvågen där de elektriska fälten är accelererande kan dess energi ökas kraftigt över en mycket kort sträcka. TeknikenförattpådettasättaccelereraelektronerkallaspåengelskaförLaser Wakefield Acceleration (LWFA). I ett typiskt experiment under avhandlingsarbetet kunde elektronernas energier ökas från MeV till mer än MeV genom laser- materiaväxelverkaniengasstrålemedmmidiameter. Hastighetenhosenelektron medsåhögenergiärmerän,%avljusetshastighetivakuum. Dettainnebär att elektroner med så hög energi kommer att färdas i nästan samma hastighet som laserpulsen. Gasensläppsvanligtvisutgenomettöverljudsmunstyckeochkommer dåattbildaenstrålepåsammasättsomnärvattenmedhögttrycksläppsutgenom munstycket på en slang. Överljudsflöden används eftersom det är viktigt med en skarpövergångmellanvakuumochgasiLWFA-experiment. En viktig aspekt rörande LWFA är hur elektroner placeras i kölvågen bakom laserpulsen. I den enklaste formen sker detta automatiskt via självinjektion vilket, som namnet antyder, sker av sig självt under rätt förutsättningar. Denna typ av partikelinjektion är dock en slumpmässig process, vilket innebär att det är stora variationer mellan olika elektronstrålars energiinnehåll. I avhandlingsarbetet har denna process studerats närmare för att bland annat klargöra hur laserfokusets kvalitet påverkar injektionen. I ytterligare experiment har även andra typer av injektionstekniker använts, som att använda kontrollerade ökningar och minskningaravtätheteniplasmat. Detharvisatsigattvälkontrolleradeförändringar av elektrontätheten i ett plasma kan göra så att partikelinjektionen sker vid samma position för olika elektronstrålar, vilket gör att energivariationerna mellan dem minskasdrastiskt. Iettannatviktigtexperimentundersöktesomelektronstrålarnas egenskaper påverkas av vilken ursprungsgas som används i överljudsflöden. Utöver elektronstrålen kommer även intensiv röntgenstrålning att produceras under accelerationsprocessen och denna strålning har under avhandlingarbetets gång studeratsförolikatyperavgenomskinligaplasmor. En jämförelse mellan de plasmabaserade accelerationsteknikerna som beskrivits ovan och exempel på deras traditionella motsvarigheter återfinns i Tabell , där det tydlig framgår att TNSA och LWFA har mycket högre accelererande elektriska ix
Description:The list of books you might like
