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Ehret, Michael
Universite de Bordeaux, Ecole Doctorale No. 209, Laboratoire Celia - Centre Lasers Intenses et Applications, Groupe Petrux, UMR 5107, 43 Rue Pierre Noailles, 33400 Talence (France); Technische Universitaet Darmstadt, Departement de Physique, Institut fuer Kernphysik, Schlossgartenstrasse 9, 64289 Darmstadt (Germany)2021
Universite de Bordeaux, Ecole Doctorale No. 209, Laboratoire Celia - Centre Lasers Intenses et Applications, Groupe Petrux, UMR 5107, 43 Rue Pierre Noailles, 33400 Talence (France); Technische Universitaet Darmstadt, Departement de Physique, Institut fuer Kernphysik, Schlossgartenstrasse 9, 64289 Darmstadt (Germany)2021
AbstractAbstract
[en] This work aims at both, the experimental benchmark of laser-driven ion acceleration from targets in the near critical density regime and the exploration of laser-driven open-geometry platforms for spatial and spectral ion beam tailoring. Theoretically described mechanisms and dynamics predicted by numerical simulations are compared to novel experimental findings that are supported by new particle in cell simulations and heuristic models. Results comprise (i) demonstration of Helium ion acceleration from ultra-relativistic laser-driven near critical density gas jet targets employing shock nozzles, (ii) further investigation of the driving mechanisms of charged particle beam lensing platforms in the quasi-static regime driven by ns-laser and in the transient regime driven by sub-ps laser, and (iii) studies of transport and tailoring of laser accelerated particle beams by EM fields and B-fields. The Helium ion source shows broad spectra cut-off energies above 55 MeV, a regime suitable for isotope production in alpha-therapy. Hence, the destruction of nozzles in the violent experimental environment and the perspective to HRR operation underlines the need of mass producible nozzles with automated nozzle exchange and vacuum systems able to maintain good vacuum levels. Ns-laser driven magnetic lenses show current amplitudes in the same order of magnitude for the spontaneous B-fields of the plasma and the consumer loop, which favours the theoretical modelling of the platform as a plasma-diode power source. During the laser drive, space charge effects arise with the arrival of the laser plasma in vicinity of the magnetic lens, representing a possible threat to efficient lensing of ion beams. A target geometry is presented that decreases space charge effects. Short laser-pulse driven solid target discharge gives rise to the propagation of a pulsed potential guided by the target geometry along its surface. This work shows that EM discharge pulses emanating the interaction region are followed by a pulse discharge current from the ground, both transporting kA-range currents through the target rod. The observed pulsed current dynamics on timescales of tens of ps indicates the presence of a hot surface plasma. The temperature and electron density of the surface plasma are promising control parameters of the discharge pulse dispersion. The high branch of the dispersion relation is responsible for a group velocity different from the speed of light. Solutions on the low branch of the dispersion relation agree with modulations of the target potential in their spatial dimensions and temporal growth rate. Experimental and numerical studies of short laser pulse driven platforms show their applicability to spectral shaping of ion beams, with a perspective to temporal compression of beams for cases where low energy parts of the spectrum get efficiently post-accelerated. Presented are the experimental study of a simple double-coil geometry and a numerical study of a helical coil target. This work motivates junction of presented approaches for future experiments aiming at HRR laser accelerated high energy density ion beams for applications, notably medical isotope production, or fundamental research, ranging from studies on collective stopping effects, warm dense matter generation to an optimized particle injector for fast ignition. (author)
[fr]
Ce travail comprend a la fois une etude de faisabilite experimentale sur l'acceleration des ions par laser a partir de la matiere dans le domaine de la densite proche critique, ainsi que l'etude de la source, des limites et de l'utilite des courants electriques generes par laser pour la mise en forme spatiale et spectrale des faisceaux d'ions. Les predictions theoriques conceptuelles et numeriques existantes sont comparees a de nouvelles decouvertes experimentales, et soutenues par de nouvelles simulations PIC et des modeles heuristiques. Les resultats comprennent (I) une demonstration de l'acceleration des ions helium par un laser ultrarelativiste a partir des cibles gazeuses proches de la densite critique a l'aide de buses de choc, (II) une exploration plus approfondie des mecanismes generateurs de champ dans les lentilles electromagnetiques applicable aux faisceaux de particules chargees, a la fois dans un regime quasi-statique pilote par des lasers ns et egalement en regime transitoire pilote par des lasers sub-ps, et (III) etudes sur le transport de faisceaux d'ions acceleres par laser dans des champs electromagnetiques et magnetiques. La source d'ions helium genere des spectres larges avec des energies maximales de 55 MeV. Cette gamme d'energie est adaptee a la production d'isotopes dans le cadre de la therapie alpha. La destruction des buses de choc dans l'environnement experimentale violente et la perspective d'un fonctionnement avec un taux de repetition eleve soulignent le besoin de buses fabrique par une production de masse avec echange de buses automatise et de puissants systemes de vide. Les plates-formes de lentilles electromagnetiques pilotees par des lasers ns montrent une intensite de courant comparable dans le plasma et la boucle consommateur, ce que la modelisation theorique de la plate-forme en tant que diode plasma peut le mieux interpreter. Pendant l'irradiation avec le laser, le plasma en expansion cree de forts effets de charge d'espace au voisinage de la lentille magnetique, qui font obstacle a un guidage efficace des faisceaux d'ions par une telle lentille. Une geometrie de la plate-forme est presentee qui reduit les effets de charge d'espace. La decharge de solides par de courtes impulsions laser conduit a une propagation pulsee du potentiel electrique le long de la surface. Ce travail montre qu'un courant de decharge pulse originaire de la terre suit cette impulsion de decharge electromagnetique. Les deux transportent des courants dans la gamme de kA. Des observations experimentales de la dynamique d'impulsion de decharge pendant plusieurs dizaines de ps indiquent la presence d'un plasma de surface chaude. La temperature et la densite electronique du plasma de surface sont des parametres de controle prometteurs pour la dispersion des impulsions de decharge. La branche superieure de la relation de dispersion est responsable d'une vitesse de groupe differente de la vitesse de la lumiere. Les solutions sur la branche inferieure correspondent a des modulations observees du potentiel en dimension spatiale et en taux de croissance temporelle. Des etudes experimentales et numeriques des plates-formes pilotees par de courtes impulsions laser montrent leur applicabilite a la mise en forme spectrale des faisceaux ioniques, en particulier la faisabilite de la compression temporelle grace a la post-acceleration efficace des parties a faible energie du spectre. L'etude experimentale d'une geometrie a double bobine et l'etude numerique d'une bobine helicoidale sont presentees. Ce travail motive la connexion des approches presentees pour les experiences futures qui necessitent des faisceaux d'ions acceleres par laser avec un taux de repetition eleve. Une application possible est la production d'isotopes et les recherches fondamentales possibles vont des etudes sur les effets collectifs de la perte d'energie des particules dans la matiere et la generation de matiere chaude et dense a une source de particules optimisee pour d'allumage dans des experiences de fusion. (auteur)Original Title
Acceleration laser de particules chargees et generation de forts champs associes a des courants de decharge induite par laser. Une etude sur les faisceaux d'ions issues de l'interaction laser-plasma et de leur transport vers l'application dans des experiences de physique a haute densite d'energie
Primary Subject
Source
9 Jul 2021; 313 p; 386 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur de l'Universite de Bordeaux, Specialite: astrophysique, plasmas, nucleaire
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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INIS VolumeINIS Volume
INIS IssueINIS Issue