Laser-Driven Ion Acceleration From Carbon Nano-Targets With Ti:Sa Laser Systems

162 Pages·2015·9.03 MB·English

by  Jianhui Bin

Laser-Driven Ion Acceleration
From Carbon Nano-Targets
With Ti:Sa Laser Systems
Jianhui Bin
München 2015

Laser-Driven Ion Acceleration
From Carbon Nano-Targets
With Ti:Sa Laser Systems
Jianhui Bin
Dissertation
angefertigt am
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
an der Fakultät für Physik
der Ludwig–Maximilians–Universität München
vorgelegt von
Jianhui Bin
aus Hunan, China
München, den 09.04.2015
Erstgutachter: Prof. Dr. Jörg Schreiber
Zweitgutachter: Prof. Dr. Matt Zepf
Tag der mündlichen Prüfung: 19.06.2015
Zusammenfassung
In den letzten Jahrzehnten hat die Erzeugung von Laserimpulsen mit relativistischen In-
tensitäten eine hohe Aufmerksamkeit seit auf sich gezogen. Im Jahr 2000 haben bereits
mehrere Gruppen von Forschern gezeigt, dass Protonen mit bis zu 58 MeV kinetischer
Energie mit geringer transversaler Emittanz in Pikosekunden-Zeitskalen aus Festkörpern
mit einigen µm Dicke beschleunigt werden können. Diese einzigartigen Eigenschaften
Laser-beschleunigter Ionenstrahlen sind hervorragend für eine Vielzahl neuartiger An-
wendungen geeignet. Gleichzeitig kompliziert die große Winkel- und Energiestreuung
klassischeAnwendungen,dieaufkonventionellenBeschleunigernberuhen.
DieVerwendungvonNano-TargetsalsLaser-IonenquellebieteteineReihevonVorteilen
gegenüberµmdickenFolien. DiehiervorgestellteDoktorarbeithatsichzumZielgesetzt
LasergetriebeneIonenbeschleunigungmitKohlenstoff-Nano-Targetszudemonstrierenund
deren Nutzbarkeit für biologische Studien zu evaluieren. Zwei neuartige Nano-Targets
werden vorgestellt: Nm dünne Diamantartige Kohlenstoff (DLC) Folien und Schaumtar-
gets aus Kohlenstoff Nanoröhrchen (CNF). Beide wurden im technologischen Labor der
Ludwig-Maximilians Universität München hergestellt. Mit DLC Folien konnten hoch
kollimierte Ionenstrahlen mit extrem geringer Divergenz von 2◦, eine Größenordnung
kleiner im Vergleich zu µm dicken Folien, gezeigt werden. Zweidimensionale Particle in
Cell Simulationen deuten auf einen starken Einfluss der Elektronendichteverteilung auf
die Divergenz des generierten Protonenstrahls hin. Diese Interpretation wird durch ein
analytischesModellunterstützt. IndergleichenStudiewurdendiehöchstenProtonenEn-
ergienmitmoderatenLaserintensitätenvonnur5×1018 W/cm2 gemessen. ParalleleMes-
sungen von reflektierter und transmittierter Laserenergie wurden erstmalig genutzt, um
die absorbierte Energie zu messen. Diese Messungen zeigten eine starke Korrelation von
der absorbierten Energie (nicht der Intensität allein) und den höchsten Protonenenergien.
Auch diese These wird durch ein analytisches Modell gestützt. Die Ionenenergie konnte
des Weiteren durch eine im Vergleich zu µm dicken Folien deutlich geringere Pulsdauer
optimiert werden. Dieses Verhalten wird der geringeren transversalen Elektronen Streu-
ung zugeschrieben, die durch die Reduzierung der Target-Dicke von µm auf nm entsteht.
vi
DiesebemerkenswertenvorteilhaftenCharakteristikenderProtonenpulsekonntenamAd-
vanced Titanium:sapphire LASer (ATLAS) des Max Planck Institutes für Quantenoptik
erstmalsfürdieBestrahlung lebenderZellenverwendetwerden. DieBesonderheitdieser
Messung bestand in der erzielten Einzellschußdosis von bis zu 7 Gray in einer Protonen-
PulsdauervoneinerNanosekunde.
Für die Weiterentwicklung lasergetriebener Ionenquellen, insbesondere in Hinblick
aufhöhereEnergien,wurdenFolgeexperimenteamAstraGeminiLaserinEnglanddurchge-
führt. Zum ersten Mal konnten gezielt relativistische Nichtlinearitäten in µm dicke CNF
TargetszumVorteilderIonenbeschleunigungausgenutztwerden. MitkombiniertenCNF-
DLC-Targets wurden Kohlenstoff-Ionen durch zirkular polarisierte Laserpulse auf sig-
nifikant (3fach) höhere Energien beschleunigt. Die Energieverteilung der Ionen spiegelte
dabei den starken Einfluss des Strahlungsdrucks auf die gesamte Beschleunigung wider.
LinearpolarisierteLaserpulseresultierteninrund2,4fachhöherenProtonenenergien,was
sich als Folge der deutlich erhöhten Elektronentemperatur im Target interpretieren lässt.
Dreidimensionale PIC Simulationen offenbaren, dass die verbesserte Leistung der Dop-
pelschicht Targets (DLC+CNF) der relativistischen Selbstfokussierung in einem nahkri-
tischen Plasma zugeschrieben werden kann. Interessanterweise kann die Natur der rel-
ativistischen Nichtlinearitäten, die die Hauptrolle in der Laser Wakefield Beschleuni-
gung von Elektronen spielt, zur Verbesserung von Laser getriebenen Ionenbeschleuni-
gungangewendetwerden.
Abstract
Over the past few decades, the generation of high energetic ion beams by relativistic
intenselaserpulseshasattractedgreatattentions. Startingfromthepioneeringendeavors
around2000,severalgroupshavedemonstratedmuliti-MeV(upto58MeVforprotonby
then) ion beams along with low transverse emittance and ps-scale pulse duration emitted
fromsolidtargets. Owingtothosesuperiorcharacteristics,laserdrivenionbeamisideally
suitable for many applications. However, the laser driven ion beam typically exhibits a
large angular spread as well as a broad energy spectrum which for many applications is
disadvantageous.
Theutilizationofnano-targetsasionsourceprovidesanumberofadvantagesoverµm
thick foils. The presented PhD work was intended to investigate laser driven ion accel-
eration from carbon nano-targets and demonstrate the potential feasibility for biological
studies. Two novel nano-targets are employed: nm thin diamond-like-carbon (DLC) foil
and carbon nanotubes foam (CNF). Both are self-produced in the technological labora-
tory at Ludwig-Maximilians-Universität München. Well-collimated proton beams with
extremely small divergence (half angle) of 2◦ are observed from DLC foils, one order
of magnitude lower as compared to µm thick targets. Two-dimensional particle-in-cell
simulations indicate a strong influence from the electron density distribution on the di-
vergence of protons. This interpretation is supported by an analytical model. In the same
studies,thehighestmaximumprotonenergywasobservedwithamoderatelaserintensity
as low as 5×1018W/cm2. Parallel measurements of laser transmission and reflection are
used to determine laser absorption in the nano-plasma, showing a strong correlation to
the maximum proton energy. This observation indicates significance of absorbed laser
energy rather than incident laser intensity and is supported by an analytical model. The
ionenergy alsodependson pulseduration,a reducedoptimumpulse durationis foundas
comparedtoµmthicktargets. Thisbehaviorisattributedtoareductionoftransverseelec-
tron spread due to the reduction of thickness from µm to nanometer. These remarkable
proton bunch characteristics enabled irradiating living cells with a single shot dose of up
to7Grayinonenanosecond,utilizingtheAdvancedTitanium: sapphireLASer(ATLAS)
viii
systematMax-Planck-InstitutofQuantumOptics(MPQ).Theexperimentsrepresentthe
first feasibility demonstration of a very compact laser driven nanosecond proton source
forradiobiologicalstudiesbyusingatable-toplasersystemandadvancednano-targets.
Forthepurposeofprovidingbetterionsourcesforpracticalapplication,particularlyin
termsofenergyincrease,subsequentexperimentswereperformedwiththeAstraGemini
laser system in the UK. The experiments demonstrate for the first time that ion accelera-
tioncanbeenhancedbyexploitingrelativisticnonlinearitiesenabledbymicrometer-thick
CNF targets. When the CNF is attached to a nm-thick DLC foil, a significant increase
of maximum carbon energy (up to threefold) is observed with circularly polarized laser
pulses. Apreferableenhancementofthecarbonenergyisobservedwithnon-exponential
spectral shape, indicating a strong contribution of the radiation pressure to the overall
acceleration. In contrast, the linear polarization give rise to a more prominent proton ac-
celeration. Protonenergiescouldbeincreasedbyafactorof2.4,inlinewithastrongerac-
celeratingpotentialduetohigherelectrontemperatures. Three-dimensional(3D)particle-
in-cell(PIC)simulationsrevealthattheimprovedperformanceofthedouble-layertargets
(CNF+DLC)canbeattributedtorelativisticself-focusinginnear-criticaldensityplasma.
Interestingly, the nature of relativistic non-linearities, that plays a major role in laser-
wakefield-accelerationofelectrons,canalsoapplytothebenefitoflaserdrivenionaccel-
eration.
Contents
Zusammenfassung v
Abstract vii
Contents ix
ListofFigures xiii
ListofTables xv
1 Introduction 1
1.1 Historyandcurrentstatusoflaserdrivenionacceleration . . . . . . . . . 1
1.2 Applications-someexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Radiographywithprotonbeams . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Fastignitionbyions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Isochoricheating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.4 Ionbeamtherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Thesisoutline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 TheoreticalBackgrounds 9
2.1 Basicsoflaserfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Laserinteractionwithasingleelectron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Definitionofrelativisticlaserintensity . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Electrondynamicsinaplanewave . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 LaserInteractionwithaplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Basicsofplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Pulseshapingeffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Laserabsorptioninplasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Laserdrivenionacceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.1 Targetnormalsheathacceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
x CONTENTS
2.4.2 Radiationpressureacceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 ExperimentalMethods 33
3.1 HighIntensityLaserSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 TheATLASlasersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 TheAstraGeminilasersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 DLCFoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 CNFtargets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Utilizeddetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Spectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Alaser-drivennanosecondprotonsourceforradiobiologicalstudies 61
4.1 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Radiobiologicalstudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5 Ultrasmalldivergenceoflaser-drivenionbeamsfromnanometerthickfoils 71
5.1 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 PICsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Analyticalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Exploitingrelativisticnonlinearitiesinnear-criticaldensityplasmasforlaser
drivenionacceleration 83
6.1 Conceptualillustration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3 Signatureofpulsesteepening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4 LaserdrivenionbeamswithCPpulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4.1 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.5 LaserdrivenionbeamswithLPpulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5.1 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.5.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97