Laser-Driven Particle Acceleration - Improving Performance Through Smart Target Design
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Många forskningsprojekt inom materialvetenskap, medicin eller grundläggande fysik kräver smala strålar av laddade partiklar som fungerar som provtagare för att undersöka materiens egenskaper. Dessa partiklar kan vara protoner, elektroner lättare joner. Relativt ofta, behöver de accelereras nästan upp till ljusets hastighet för att kunna tränga in tillräckligt djupt i provet som ska studeras. Ett rätt intressant exempel på en tillämpning av protonstrålar är att destruera tumörer vid ett visst vävnadsdjup utan att skada omgivande vävnad, jämfört med användandet av röntgenstrålar, som är standarden idag. Alternativt kan strålar av snabba elektroner böjas med hjälp av magneter, vilket leder till emission av ljus i ett väldigt brett färgspektrum som sträcker sig från röntgenstrålning till infrarött med överlägsna strålegenskaper jämfört med alternativa ljuskällor. Laserdriven partikelacceleration avser att använda sig av extremt starka transversella oscillerande elektriska fält, vilka blir tillgängliga när man fokuserar ljuset hos en modern pulsad högeffektslaser. För partikelacceleration måste dessa dock likriktas på något vis, så att partiklarna utsätts för ett kontinuerligt longitudinellt accelererande fält. Den här omvandlingen sker inuti ett plasma. Plasmat kan bestå av vilket material som helst, då det upphettas till en temperatur så pass hög att elektronerna inte längre är bundna till atomkärnorna och materialet blir joniserat. Detta sker i fokuspunkten när laserljuset träffar målet som t.ex. kan vara en gas eller en tunn folie. Samtidigt kan en sådan växelverkan producera korta pulser av röntgenstrålning eller magnetiska fält, som kan vara av storleksordningen en miljon gånger jordens magnetiska fålt. Utöver partikelacceleration kan man dessutom skapa miljöer som liknar astrofysikaliska förhållanden som studieobjekt i ett laboratorium.
Beroende på densiteten av fria elektroner, plöjer en fokuserad ljuspuls genom plasmat, likt en kanonkula av ljus, som knuffar och förflyttar elektroner som kommer i dess väg. Detta frambringar en våg i plasmat efter ljuspulsen, likt kölvattnet bakom en motorbåt. Här finns nu bland annat longitudinella elektriska fält som kan ge upphov till en extremt snabb acceleration, mycket snabbare än vad som är tekniskt möjligt med konventionella högfrekvensacceleratorer som t.ex. används för the Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz eller Max IV i Lund i Sverige. Principiellt skulle detta kunna tillåta att acceleratorns längd kan minskas med en faktor ett tusen. Detta innebär att en flera hundra meter lång linjäraccelerator skulle kunna krympas till några centimeter. Oftast kan dessa extrema accelerationsfält inuti plasmat dessvärre endast upprätthållas över några millimeter. Detta innebär att den tillgängliga maximala energin hos elektronerna är begränsad och lösningar måste utvecklas för att utöka denna sträckan.
I ett tätare plasma förflyttar den extremt intensiva laserpulsen fortfarande elektroner, men reflekteras efter att den har överfört delar av sin energi till en del av elektronerna. Kortlivade statiska fält skapas vid kanten av målet, som i sin tur kan accelerera partiklar såsom protoner eller joner på målets yta.
Forskningen, som presenteras i den här avhandlingen, syfter på att utforska möjligheter inom laser-materieväxelverkan för att förbättra prestanda hos laserdriven partikelacceleration. I synnerhet genom att öka effektiviteten i energiöverföringen från laserenergi till önskad partikelenergi eller genom att förlänga växelverkningslängden med lasern genom utveckling av en smart target design. Detta har lett fram till tre nya accelerationsteknier: En metod som använder sig av en ihålig glasmikrosfär, trådinjektionstekniken och användningen av en glaskapillär, vilka presenteras och diskuteras i den här avhandlingen.
Många forskningsprojekt inom materialvetenskap, medicin eller grundläggande fysik kräver smala strålar av laddade partiklar som fungerar som provtagare för att undersöka materiens egenskaper. Dessa partiklar kan vara protoner, elektroner lättare joner. Relativt ofta, behöver de accelereras nästan upp till ljusets hastighet för att kunna tränga in tillräckligt djupt i provet som ska studeras. Ett rätt intressant exempel på en tillämpning av protonstrålar är att destruera tumörer vid ett visst vävnadsdjup utan att skada omgivande vävnad, jämfört med användandet av röntgenstrålar, som är standarden idag. Alternativt kan strålar av snabba elektroner böjas med hjälp av magneter, vilket leder till emission av ljus i ett väldigt brett färgspektrum som sträcker sig från röntgenstrålning till infrarött med överlägsna strålegenskaper jämfört med alternativa ljuskällor. Laserdriven partikelacceleration avser att använda sig av extremt starka transversella oscillerande elektriska fält, vilka blir tillgängliga när man fokuserar ljuset hos en modern pulsad högeffektslaser. För partikelacceleration måste dessa dock likriktas på något vis, så att partiklarna utsätts för ett kontinuerligt longitudinellt accelererande fält. Den här omvandlingen sker inuti ett plasma. Plasmat kan bestå av vilket material som helst, då det upphettas till en temperatur så pass hög att elektronerna inte längre är bundna till atomkärnorna och materialet blir joniserat. Detta sker i fokuspunkten när laserljuset träffar målet som t.ex. kan vara en gas eller en tunn folie. Samtidigt kan en sådan växelverkan producera korta pulser av röntgenstrålning eller magnetiska fält, som kan vara av storleksordningen en miljon gånger jordens magnetiska fålt. Utöver partikelacceleration kan man dessutom skapa miljöer som liknar astrofysikaliska förhållanden som studieobjekt i ett laboratorium.
Beroende på densiteten av fria elektroner, plöjer en fokuserad ljuspuls genom plasmat, likt en kanonkula av ljus, som knuffar och förflyttar elektroner som kommer i dess väg. Detta frambringar en våg i plasmat efter ljuspulsen, likt kölvattnet bakom en motorbåt. Här finns nu bland annat longitudinella elektriska fält som kan ge upphov till en extremt snabb acceleration, mycket snabbare än vad som är tekniskt möjligt med konventionella högfrekvensacceleratorer som t.ex. används för the Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz eller Max IV i Lund i Sverige. Principiellt skulle detta kunna tillåta att acceleratorns längd kan minskas med en faktor ett tusen. Detta innebär att en flera hundra meter lång linjäraccelerator skulle kunna krympas till några centimeter. Oftast kan dessa extrema accelerationsfält inuti plasmat dessvärre endast upprätthållas över några millimeter. Detta innebär att den tillgängliga maximala energin hos elektronerna är begränsad och lösningar måste utvecklas för att utöka denna sträckan.
I ett tätare plasma förflyttar den extremt intensiva laserpulsen fortfarande elektroner, men reflekteras efter att den har överfört delar av sin energi till en del av elektronerna. Kortlivade statiska fält skapas vid kanten av målet, som i sin tur kan accelerera partiklar såsom protoner eller joner på målets yta.
Forskningen, som presenteras i den här avhandlingen, syfter på att utforska möjligheter inom laser-materieväxelverkan för att förbättra prestanda hos laserdriven partikelacceleration. I synnerhet genom att öka effektiviteten i energiöverföringen från laserenergi till önskad partikelenergi eller genom att förlänga växelverkningslängden med lasern genom utveckling av en smart target design. Detta har lett fram till tre nya accelerationsteknier: En metod som använder sig av en ihålig glasmikrosfär, trådinjektionstekniken och användningen av en glaskapillär, vilka presenteras och diskuteras i den här avhandlingen.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2012
Språk
Engelska
Publikation/Tidskrift/Serie
Lund Reports on Atomic Physics
Volym
455
Fulltext
- Available as PDF - 82 MB
- Download statistics
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Camilla Nilsson, Department of Physics, Division of Atomic Physics, Lund University
Ämne
- Atom and Molecular Physics and Optics
Nyckelord
- wakefield
- ultra-relativistic
- ultra-intense
- TNSA
- Terawatt
- sheath
- proton
- polarimetry
- plasma mirror
- plasma
- Petawatt
- particle
- oscillation
- Normarski
- micromachining
- LWFA
- laser
- interferometry
- electron
- contrast
- acceleration
- bubble
- Fysicumarkivet A:2012:Burza
Status
Published
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISSN: 0281-2762
- ISBN: 978-91-7473-320-4
- Lund Report on Atomic Physics, LRAP-455
Försvarsdatum
31 maj 2012
Försvarstid
10:15
Försvarsplats
Lecture Hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
Opponent
- Philippe Martin (Dr.)