Investigations of Field Dynamics in Laser Plasmas with Proton Imaging (eBook)

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2011 | 2011
XIV, 126 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-642-15040-1 (ISBN)

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Investigations of Field Dynamics in Laser Plasmas with Proton Imaging - Thomas Sokollik
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Laser-driven proton beams are still in their infancy but already have some outstanding attributes compared to those produced in conventional accelerators. One such attribute is the typically low beam emittance. This allows excellent resolution in imaging applications like proton radiography. This thesis describes a novel imaging technique - the proton streak camera - that the author developed and first used to measure both the spatial and temporal evolution of ultra-strong electrical fields in laser-driven plasmas. Such investigations are of paramount importance for the understanding of laser-plasma interactions and, thus, for optimization of laser-driven particle acceleration. In particular, the present work investigated micrometer-sized spherical targets after laser irradiation. The confined geometry of plasmas and fields was found to influence the kinetic energy and spatial distribution of accelerated ions. This could be shown both in experimental radiography images and and in numerical simulations, one of which was selected for the cover page of Physical Review Letters.

Investigations of Field Dynamics in Laser Plasmas with Proton Imaging 3
Supervisor’s Foreword 5
Acknowledgments 8
Contents 9
1 Introduction 12
References 14
Part I Basics 16
2 Ultra Short and Intense Laser Pulses 17
2.1…Mathematical Description 17
2.2…Single Electron Interaction 20
2.3…Ponderomotive Force 22
References 24
3 Plasma Physics 26
3.1…Light Propagation in Plasmas 26
3.2…Debye Length 29
3.3…Plasma Expansion 30
References 32
4 Ion Acceleration 34
4.1…Absorption Mechanisms 34
4.1.1 Resonance Absorption 34
4.1.2 Brunel Absorption (Vacuum Heating) 36
4.1.3 Ponderomotive Acceleration, Hole Boring and j x B Heating 37
4.2…Target Normal Sheath Acceleration 38
4.3 Alternative Acceleration Mechanisms 41
References 43
5 Laser System 46
5.1…Ti:Sa Laser System 46
5.2…Nd:glass Laser System 49
5.3…Synchronization 50
References 53
Part II Proton Beam Characterization 54
6 Proton and Ion Spectra 55
6.1…Thomson Spectrometer 55
6.2…Quasi-Monoenergetic Deuteron Bursts 58
6.3…Irregularities of the Thomson Parabolas 59
References 60
7 Beam Emittance 62
7.1…Virtual Source 63
7.2…Measurement of the Beam Emittance 64
References 66
8 Virtual Source Dynamics 67
8.1…Energy Dependent Measurement of Pinhole Projections 67
8.2…Shape of the Proton Beam 70
8.3…Energy Dependence of the Virtual Source 73
References 73
Part III Proton Imaging 75
9 Principle of Proton Imaging 76
9.1…Principle Experimental Setup 76
9.2…Gated Multi-Channel Plates 78
9.3…Time Resolution 79
References 80
10 Imaging Plasmas of Irradiated Foils 82
10.1…Experimental Setup 82
10.2…2D-Proton Images 83
References 86
11 Mass-Limited Targets 88
11.1…Experimental Setup 89
11.2…Water Droplet Generation 90
11.3…Proton Images of Irradiated Water Droplets 92
11.4…Three-dimensional Particle Tracing 96
References 98
12 Streak Deflectometry 101
12.1…The Proton Streak Camera 101
12.2…Streaking Transient Electric Fields 103
12.3…Fitting Calculations 105
12.4…Particle Tracing 107
References 110
13 Summary and Outlook 111
Reference 112
Part IV Appendix 113
14 Zernike Polynomials 114
ReferenceReference 115
15 Gated MCPs 116
Curriculum Vitae 120
Current Position 120
Education and Work History 120
List of Publications 121
Index 123

Erscheint lt. Verlag 12.1.2011
Reihe/Serie Springer Theses
Springer Theses
Zusatzinfo XIV, 126 p.
Verlagsort Berlin
Sprache englisch
Themenwelt Naturwissenschaften Physik / Astronomie Atom- / Kern- / Molekularphysik
Technik
Schlagworte Laser driven ion acceleration • Mass-Limited targets • Proton deflectometry • Proton imaging • Proton streak camera
ISBN-10 3-642-15040-3 / 3642150403
ISBN-13 978-3-642-15040-1 / 9783642150401
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