Laser proton acceleration from water micro-droplets and solid hydrogen targets

This thesis is dealing with the acceleration of protons during the interaction of relativistic laser pulses with plasmas. The focus was directed on the measurement and the improvement of the properties of the proton beam and the enhancement of the conversion efficiency of the laser-pulse energy into kinetic energy of the protons. Here, the investigation of the generation of energetic protons from water micro-droplets identified the temporal intensity contrast of the laser pulse as one of the causes for the present limitation of the maximal obtainable particle energy. By controlling this property, an increase by a factor of 10 in the motional energy of the protons in comparison to earlier experiments could be achieved. Furthermore, the realisation of proton pulses at high repetition rate could be demonstrated by continuous generation of the water micro-droplets.
Additionally, filaments of solid hydrogen for the production of proton beams with high-intensity lasers were investigated in detail in this thesis. Here, the evaporation of the hydrogen leads to the formation of a corona which in
uences the acceleration mechanism. The plasma expansion of the filament is inducing a shock wave in the corona leading to a distinct modulation of the energy spectrum of the protons. Furthermore, it could be demonstrated that the conversion eciency of laser pulse energy into proton energy for a 10-TW-class laser is increased to a few percent which so far only could be shown with high-energy lasers, providing several 100's of Joule of pulse energy.
The implementation of a process for the continuous monitoring of the proton-beam profile exhibited a dependency of the structures within the beam on the dimensionality of the target.
The efficient generation of energetic proton beams at high repetition rate demonstrated in this thesis, is of great interest in the view of applications in the area of accelerator technology, material science and medical physics. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beschleunigung von Protonen während der Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Plasmen. Dabei wurde das Hauptaugenmerk auf die Messung und Verbesserung der Protonenstrahleigenschaften und eine Konversionseffizienzerhöhung von der Laserpuls- in Bewegungsenergie der erzeugten Protonen gelegt. Hier identifizierte die Untersuchung der Erzeugung energetischer Protonen von Wasser-Mikro-Tröpfchen den zeitlichen Intensitätskontrast des Laserpulses als eine der Ursachen der bisherigen Beschränkung der maximal erreichbaren Teilchenenergien. Eine kontrollierte Beein
flussung dieser Größe erhöhte die erreichbare kinetische Energie der Protonen um einen Faktor 10 gegenüber früheren Experimenten. Durch die kontinuierliche Erzeugung der Wasser-Mikro-Tröpfchen konnte außerdem die Realisierung von Protonenpulsen mit hohen Wiederholraten demonstriert werden.
Weiterhin wurden Filamente aus festem Wasserstoff zur Erzeugung energetischer Protonenstrahlung mit Hochintensitätslasern im Rahmen dieser Arbeit im Detail untersucht. Dabei führt die Verdampfung des Wasserstoffs zur Bildung einer Korona, die den Beschleunigungsprozess beeinfl
usst. In der Korona wird durch die Plasmaexpansion des Filaments eine Schockwelle induziert, die zu einer deutlichen Modulation der Energiespektren der Protonen führt. Weiterhin konnte mit einem Laser der 10-TW-Klasse eine Erhöhung der Konversionseffizienz von Laser- in Protonenenergie auf einige Prozent erreicht werden, die bisher nur mit Hochenergielasern demonstriert werden konnte, die einige 100 Joule an Pulsenergie zur Verfügung stellen.
Die Implementierung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Überwachung des erzeugten Protonenstrahlprofils zeigte weiterhin eine Abhängigkeit der auftretenden Strukturen innerhalb des Profils von der Dimensionalität des Targets.
Die effiziente Erzeugung energetischer Protonenstrahlung bei hohen Wiederholraten, die in dieser Arbeit erfolgreich realisiert werden konnte, ist im Hinblick auf Anwendungen im Bereich der Beschleunigertechnologie, Materialkunde und Medizinphysik von großem Interesse.