Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and X-ray Production Genoud, Guillaume

210 Pages·2017·45.98 MB·English

by  Guillaume Genoud

Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and X-ray Production
Genoud, Guillaume
2011
Link to publication
Citation for published version (APA):
Genoud, G. (2011). Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and X-ray Production. [Doctoral
Thesis (compilation), Atomic Physics].
Total number of authors:
1
General rights
Unless other specific re-use rights are stated the following general rights apply:
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors
and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the
legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study
or research.
• You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal
Read more about Creative commons licenses: https://creativecommons.org/licenses/
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove
access to the work immediately and investigate your claim.
LUND UNIVERSITY
PO Box 117
221 00 Lund
[phone]
Laser-Driven Plasma Waves for
Particle Acceleration and
X-ray Production
Guillaume Genoud
Doctoral Thesis
2011
Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and
X-ray Production
'2011GuillaumeGenoud
Allrightsreserved
PrintedinSwedenbyMedia-Tryck,Lund,2011
DivisionofAtomicPhysics
DepartmentofPhysics
FacultyofEngineering,LTH
LundUniversity
P.O.Box118
SE–22100Lund
Sweden
http://www.atomic.physics.lu.se
ISSN 0281-2762
LundReportsonAtomicPhysics,LRAP-443
ISBN 978-91-7473-164-4
Le savant n’est pas l’homme qui fournit les vraies r´eponses,
c’est celui qui pose les vraies questions.
Le Cru et le cuit
Claude L´evi-Strauss

Abstract
This thesis presents experimental results related to laser plasma
accelerators. These rely on very different principles from conven-
tional particle accelerators. They are able to accelerate particles
over a very short distance and produce synchrotron x-rays at the
same time, potentially providing a compact particle accelerator
and x-ray source for many future applications.
Thelaserpulsesusedintheexperimentsreportedinthisthesis
were extremely powerful (TW) and when focused, intensities as
high as 1020 W/cm2 were achieved. When matter is exposed to
such high intensities, it becomes a plasma, and collective motion
of electrons is possible. The laser pulse “ploughs” through the
plasma creating a plasma wave behind it, very much like a boat
at sea. The perturbation in electron density caused by the wave
produces strong longitudinal electric fields, travelling at the same
speed as the laser pulse. These fields can then be used to acceler-
ate electrons to hundreds of MeV in only a few mm. In addition
to longitudinal electric fields, transverse fields are also produced,
which can make the electrons “wiggle” transversely and emit x-
rays. In a related process, heavy ions can also be accelerated by
high-intensity lasers, when interacting with a solid target.
In the experimental work reported in this thesis, the use of
dielectriccapillarytubeswasexploredinordertoincreasetheac-
celeratinglengthbyexternallyguidingthelaserpulseandcounter-
acting diffraction. Linear plasma waves over several centimetres
wereproducedandcharacterised. Electronbeamsandx-rayspro-
duced in dielectric capillary tubes were also studied, where it was
found that it was possible to trap electrons even at a low initial
laser intensity. An active stabilisation system was developed in
paralleltoimprovethepointingofthelasersystem, asthedielec-
triccapillariesareverysensitivetopointingfluctuation. Thelaser
focalspotwasmodifiedinacontrolledwayusingadaptiveoptics.
By adding coma aberration, the focal spot could be made asym-
metric and the x-ray emission enhanced, as the electrons oscillate
with a greater amplitude. Adding spherical aberration allowed
the effect of the quality of the focal spot on the wavebreaking
threshold to be studied. A simple model predicting whether or
v
Abstract
not the plasma wave breaks was developed by varying the laser
energy and pulse duration.
Two ways of increasing or modifying the proton energy dis-
tribution without increasing the laser power are also presented in
this thesis. The absorption of the main laser pulse was improved
and the proton energy increased by using a 100 fs long laser pre-
pulse. Finally, hollow microspheres were used as targets, which
allowed for “recycling” of the laterally spreading electrons to es-
tablish a new accelerating field that could accelerate the protons
once more.
vi
Popula¨rvetenskaplig
sammanfattning
Denna avhandling ger en introduktion till laser-plasma accel-
eratorer, vilket ¨aven utg¨or a¨mnet f¨or de vetenskapliga artiklar
som ing˚ar i avhandlingen. Det ¨ar en ny typ av acceleratorer
som utnyttjar mycket kraftfulla lasrar f¨or att accelerera elek-
troner och protoner. Partikelacceleratorer anv¨ands f¨or att ge
partiklar h¨og r¨orelseenergi, vilket kan utnyttjas f¨or m˚anga olika
till¨ampningar, t.ex. inom medicin, och f¨or att generera inten-
sivr¨ontgenstr˚alning. Vanligapartikelacceleratorer¨arbaseradep˚a
elektriska f¨alt i kaviteter av metall, som endast t˚al begr¨ansade
f¨altstyrkor. De m˚aste d¨arf¨or g¨oras v¨aldigt l˚anga f¨or att riktigt
h¨oga partikelenergier ska kunna uppn˚as. Av den anledningen ¨ar
antalet acceleratorer som kan accelerera partiklar till de mycket
h¨oga energier som beh¨ovs fo¨r studier av elementarpartikelfysik
och f¨or att producera intensiv r¨ontgenstr˚alning, av kostnadssk¨al
begr¨ansat. Acceleratorer som baseras p˚a laserproducerade plas-
mer fungerar helt annorlunda. Med dessa kan elektroner ac-
celereras p˚a betydligt kortare str¨ackor, och dessutom producera
r¨ontgenstr˚alningp˚asammag˚ang. Detinneb¨arattmaneventuellt
kommer att kunna bygga mycket kompakta acceleratorer och
r¨ontgenk¨allor f¨or olika till¨ampningar i framtiden.
De laserpulser som utnyttjas f¨or experimenten som beskrivs
i denna avhandling har mycket h¨og toppeffekt. Varje ljuspuls
har ca en joule energi, men varar endast i ca 30 femtosekunder
(1 fs=10 15 s). Toppeffekten i varje puls blir p˚a s˚a vis mycket
−
h¨og, av storleksordningen tiotals terawatt (1012 W). N¨ar dessa
ljuspulser fokuseras till en liten fl¨ack, eller str˚almidja, med en di-
ameteromendastn˚agraf˚amikrometer,blirevljusintensitetend¨ar
extremt h¨og. Materiasomuts¨attsf¨ors˚astarktljusjoniserasredan
under ljuspulsens stigtid, s˚a att ett plasma bildas. Ett plasma ¨ar
ungef¨ar som en gas av positivt laddade joner och negativt lad-
dade elektroner som r¨or sig fritt relativt varandra. Toppen av
ljuspulsen v¨axelverkar allts˚a med fria laddningar. Den kan driva
kollektiva r¨orelser hos de l¨atta elektronerna, medan de betydligt
vii
Abstract
tyngrejonernakanbetraktassomop˚averkadeunderdenkortatid
laserpulsenv¨axelverkarmedplasmat. Detvisarsigattenintensiv
laserpulssompasserargenometttuntplasmatryckerundanelek-
troner och skapar en v˚ag bakom sig, ungef¨ar p˚a samma vis som
en b˚at p˚a en sj¨o. Den variation i elektront¨athet som v˚agen utg¨or
leder till starka elektriska f¨alt, riktade i v˚agens utbredningsrikt-
ning. Ljuspulsens elektromagnetiska f¨alt, som sv¨anger vinkelr¨att
mot utbredningsriktningen, har allts˚a i plasmat omvandlats till
ett longitudinellt f¨alt som f¨oljer v˚agen, med ljuspulsen hastighet.
F¨altstyrkor av storleksordningen 100 gigavolt per meter (GV/m)
kan skapas, vilket ¨ar m˚anga storleksordningar h¨ogre ¨an vad som
kan˚astadkommas med konventionell teknik. D¨ar ¨ar styrkan p˚a
de elektriska f¨alten begr¨ansad p˚a grund av risken f¨or elektriska
¨overslag i kaviteterna. I v˚art fall existerar inte denna risk, efter-
som vi redan ¨ar i ett joniserat medium. De longitudinella f¨alten i
plasmat l¨ampar sig f¨or att accelerera laddade partiklar. Speciellt
elektroner kan f˚angas av v˚agen och accelereras till hundratals
mega-elektronvolt (MeV) p˚a bara n˚agra f˚a mm, ungef¨ar som en
surfare p˚a en v˚ag p˚a havet. Som en konsekvens av den extrema
styrkan i det elektriska f¨altet kan accelerationsstr¨ackan vara my-
cket kort.
F¨orutom de longitudinella elektriska f¨alten f¨orekommer ¨aven
transversella f¨alt, vilket g¨or att elektroner som accelereras i
fram˚atriktningen samtidigt sv¨anger vinkelr¨att mot denna. De
sv¨angande elektronerna skickar d˚a ut elektromagnetisk str˚alning
i fram˚atriktningen, p˚a samma vis som elektronerna i en undu-
lator eller wiggler vid en konventionell synkrotronljusanl¨aggning.
Str˚alningen som har studerats och diskuteras i denna avhandling
ligger inom energiomr˚adet 1–10 kiloelektronvolt (keV). Denna , i
framtiden ¨annu h˚ardare r¨ontgenstr˚alning, kan komma att visa sig
anv¨andbar f¨or en rad intressanta till¨ampningar. S˚av¨al elektron-
som r¨ontgenpulserna har speciella egenskaper p˚a grund av att de
inblandade processerna sker p˚a s˚a extremt liten skala. Pulserna
blir mycket korta (av storleksordningen 10 fs) och str˚alk¨allan f˚ar
ytterst liten utbredning, endast ett f˚atal mikrometer. Denna nya
str˚alningsk¨alla har d¨arf¨or stor potential f¨or tidsuppl¨osta studier.
Bland de experiment som beskrivs i denna avhandling har
anv¨andningen av kapill¨arr¨or av glas unders¨okts som en metod f¨or
att f¨orl¨anga accelerationsstr¨ackan genom att leda laserpulserna
genom r¨oret och p˚a s˚a vis motverka diffraktion. Plasmav˚agor
som utbredde sig ¨over flera cm inne i dylika r¨or kunde produc-
eras och karakt¨ariseras. Dessutom studerades elektroner som ac-
celererats och r¨ontgenstr˚alning som genererats inne i r¨oren. Vi
fann d˚a att det ¨ar m¨ojligt att f˚anga och accelerera elektroner
medl¨agrelaserintensitet¨anutankapill¨arr¨or. Parallelltmeddessa
studier utvecklades och installerades ett aktivt reglersystem f¨or
attf¨orb¨attralaserstr˚alensriktningsstabilitet,vilketvisadesigvara
v¨asentligtf¨orexperimentmedkapill¨arer. Iandrastudiermodifier-
viii
Abstract
adesfokusfl¨ackensformp˚aettkontrollerats¨attmedhj¨alpavadap-
tiv optik. Genom att l¨agga till aberrationen koma kunde fl¨acken
g¨orasasymmetriskp˚aettsystematisktochv¨albest¨amts¨att. Detta
visade sig leda till mer divergenta elektronpulser, men samtidigt
h˚ardare r¨ontgenstr˚alning. Detta f¨oljer av att elektronerna p˚a
grund av asymmetrin i fokus f˚as att sv¨anga med st¨orre ampli-
tud kring utbredningsriktningen. Genom att i st¨allet l¨agga till
sf¨ariskaberrationkundeinverkanavstr˚almidjansformp˚av˚agens
f¨orm˚aga att f˚anga och accelerera elektroner studeras.
Joner kan ocks˚a accelereras med lasrar med h¨og intensitet.
D˚a utnyttjas ett fast str˚alm˚al, vanligtvis en tunn metallfolie med
endast n˚agra mikrometers tjocklek. N¨ar laserpulsen v¨axelverkar
med det t¨ata plasma som bildas p˚a str˚alm˚alet, trycks elektroner
genom folien till baksidan d¨ar de expanderar ut i vakuum, varvid
ett extremt starkt elektrostatiskt f¨alt skapas. Detta f¨alt ¨ar riktat
vinkelr¨att mot ytan och kan n˚a en styrka av storleksordningen
teravolt per meter (TV/m). Protoner och andra joner, till exem-
pelfr˚anvattenmolekylerellerf¨ororeningarp˚afoliensbaksida,kan
accelererasidessaf¨alttillfleraMeVp˚abaran˚agraf˚amikrometers
accelerationsstr¨acka. Tv˚a olika s¨att att ¨oka, eller modifiera, en-
ergif¨ordelningenhoslaseraccelereradeprotonerutanatt¨okalaser-
effekten presenteras i denna avhandling. F¨orst visade vi hur 100
fs l˚anga f¨orpulser, vid r¨att vald tid, kunde f¨orb¨attra absorptionen
av huvudpulsen och d¨armed ¨oka effektiviteten. Sedan visade vi
att ih˚aliga mikrosf¨arer kanvaraintressantasom str˚alm˚al vid pro-
tonacceleration. Dessam¨ojligg¨orn¨amligenattelektronersominte
direkt bidrar till acceleration, utan sprids transversellt p˚a ytan,
kan bidra till acceleration n¨ar de m¨ots p˚a sf¨arens motsatta sida
och d¨ar etablerar ett andra accelerationsf¨alt.
ix