Ion acceleration in the near-critical density plasma regime driven by ultra intense laser pulses

Abstract

The purpose of this PhD dissertation is the study of novel methods for ultra-intense laser-driven ion acceleration in the near-critical density plasma regime. While solid foil targets are widely used in laser-driven ion acceleration, they present several limitations, such as inefficient laser energy coupling to the highly reflective target and significant debris generation which can affect the optical components of the experiment. Furthermore, they present limitations for high-repetition-rate operation as they are destroyed upon irradiation, requiring shot-to-shot replacement and repositioning. In contrast, near-critical density targets support the generation of high-repetition-rate, debris-free ion sources due to their regenerative nature. While the near-critical-density regime can be approached using various target designs, such as liquid droplets, cluster gas-jets, cryogenic targets, and exploding foils, in this study gas-jet targets were selected for their compatibility with high-repetition-rate operation, without reliance on complex or restrictive equipment. The low density gas-jet profile was optically shaped using secondary nanosecond laser pulses, prior to the arrival of the main accelerating femtosecond laser pulse. Particular emphasis was placed on shaping conditions favourable for Magnetic Vortex Acceleration, which is considered to exhibit favourable ion energy scaling with laser power. The developed methods are fully scalable for laser systems ranging from the terawatt to petawatt class. The optical shaping of the gaseous targets was studied and optimized through three-dimensional hydrodynamic simulations and experimental measurements. Hydrodynamic modelling was used to investigate the behaviour and efficiency of the optical shaping through the use of one up to four laser pulses, in parallel and intersecting geometries. In this context, a novel shaping scheme was realized, employing dual intersecting, laser-generated blastwaves. The collision of the counterpropagating blastwave shock fronts compresses the gaseous profile with its peak density reaching the critical plasma density ~n_cr. The interaction forms a quasi-cylindrical dense structure which maintains its compression over several nanoseconds, thereby eliminating laser pulse synchronization constraints. The method enables precise control over both the peak density and density gradients of the profiles and was therefore identified as optimal for experimental implementation. A synthetic plasma diagnostic algorithm was developed, which performs ray-tracing on hydrodynamic simulation density profiles to generate synthetic optical probing images, enabling direct comparison of the simulation with experimental shadowgrams and interferograms in order to validate the target shaping method. To assess the ion acceleration capabilities of the shaped targets, three-dimensional particle-in-cell simulations were performed. The simulations predicted the acceleration of protons and ions with kinetic energies reaching up to 14 MeV per nucleon. The simulations also revealed the generation of multi-kilotesla azimuthal magnetic vortex fields, strongly suggesting that Magnetic Vortex Acceleration is the dominant underlying acceleration mechanism. Ion acceleration experiments were conducted using the 45 TW Zeus Ti:Sapphire laser system of the Institute of Plasma Physics and Lasers, University Research & Innovation Centre of the Hellenic Mediterranean University. Passive ion detectors were used for experimental proof-of-principle demonstration. Ion energies up to 13.6 MeV per nucleon were experimentally measured with good reproducibility, in agreement with the simulation predictions. The experiments were conducted with ~10 seconds shot-to-shot intervals, in order to allow for the vacuum conditions to be fully restored, achieving experimental repetition rate operation of 0.1 Hz.

Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη νέων μεθόδων επιτάχυνσης ιόντων με χρήση υπερβραχέων, υπερ-ισχυρών παλμών laser από στόχους στην κρίσιμης πυκνότητας περιοχή πλάσματος (near-critical density – NCD). Αν και οι στερεοί, υπερ-πυκνοί στόχοι χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιτάχυνση ιόντων μέσω laser, παρουσιάζουν αρκετούς περιορισμούς, όπως μη αποτελεσματική σύζευξη ενέργειας λέιζερ-στόχου, σημαντική παραγωγή θραυσμάτων που μπορούν να βλάψουν τα οπτικά στοιχεία του πειράματος καθώς και αδυναμία εκτέλεσης του πειράματος με υψηλούς ρυθμούς επανάληψης (high-Repetition-Rate – HRR) λόγω καταστροφής του στόχου κατά την ακτινοβόληση, απαιτώντας αντικατάσταση στόχου μετά από κάθε βολή. Αντίθετα, οι NCD στόχοι υποστηρίζουν τη δημιουργία πηγών ιόντων υψηλής επαναληψιμότητας, χωρίς παραγωγή θραυσμάτων, μέσω της χρήσης αυτο-ανανεούμενων στόχων. Η NCD περιοχή του πλάσματος μπορεί να προσεγγιστεί με διάφορους τύπους στόχων, όπως υγρές σταγόνες, συστάδες αερίου, κρυογενετικούς στόχους και εκρηγνυόμενους στερεούς στόχους. Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκαν στόχοι αέριου πίδακα (gas-jet), λόγω της συμβατότητάς τους με λειτουργία υψηλού ρυθμού επανάληψης και της απλότητάς τους, χωρίς την ανάγκη πολύπλοκου εξοπλισμού. Το προφίλ του gas-jet διαμορφώθηκε οπτικά με χρήση δευτερευόντων παλμών λέιζερ διάρκειας νανοδευτερολέπτου, πριν από την άφιξη του κύριου υπερβραχέος παλμού λέιζερ, ο οποίος χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση των ιόντων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη διαμόρφωση συνθηκών ευνοϊκών για την επιτάχυνση μέσω του μηχανισμού μαγνητικών δινών (Magnetic Vortex Acceleration – MVA), η οποία θεωρείται ότι παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλή απόδοση στην επιτάχυνση ιόντων σε συνάρτηση με την ισχύ του λέιζερ. Η μέθοδος είναι πλήρως προσαρμόσιμη για ένα ευρύ φάσμα συστημάτων λέιζερ, από την κατηγορία terawatt έως petawatt, επιτρέποντας τη διαμόρφωση του στόχου σύμφωνα με τις επιθυμητές συνθήκες αλληλεπίδρασης. Η οπτική διαμόρφωση των αέριων στόχων μελετήθηκε και βελτιστοποιήθηκε μέσω τρισδιάστατων υδροδυναμικών προσομοιώσεων και πειραματικών μετρήσεων. Η υδροδυναμική μοντελοποίηση χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της συμπεριφοράς της οπτικής διαμόρφωσης του αέριου στόχου, με τη χρήση έως και τεσσάρων παλμών λέιζερ σε παράλληλες και διασταυρούμενες γεωμετρίες. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύχθηκε μια νέα προσέγγιση διαμόρφωσης πυκνότητας, η οποία βασίζεται σε κρουστικά κύματα (BWs) που παράγονται από διπλούς, διασταυρούμενους παλμούς λέιζερ. Η σύγκρουση των αντίθετα διαδιδόμενων μετώπων των κρουστικών κυμάτων συμπιέζει το αέριο, με την πυκνότητά του όταν ιονιστεί να φτάνει κοντά στην κρίσιμη πυκνότητα πλάσματος. Η αλληλεπίδραση σχηματίζει μία κυλινδρική πυκνή δομή, η οποία διατηρεί τη συμπίεσή της για αρκετά νανοδευτερόλεπτα, εξαλείφοντας έτσι τους περιορισμούς συγχρονισμού μεταξύ του υπερ-ισχυρού παλμού laser και του βραχύβιου διαμορφωμένου στόχου. Η μέθοδος επιτρέπει ακριβή έλεγχο τόσο της πυκνότητας όσο και της κλίσης της. Παράλληλα αναπτύχθηκε ένας ΄συνθετικός΄ διαγνωστικός αλγόριθμος, ο οποίος πραγματοποιεί προσομοίωση διαδρομής ακτίνων λέιζερ μέσα στα προφίλ πυκνότητας των υδροδυναμικών προσομοιώσεων. Ο αλγόριθμος δημιουργεί συνθετικές εικόνες οπτικών διαγνωστικών μεθόδων σκιαγραφίας και συμβολομετρίας, επιτρέποντας την άμεση σύγκριση των προσομοιώσεων με αποτελέσματα πειραματικής απεικόνισης, προκειμένου να επικυρωθεί η μέθοδος διαμόρφωσης του στόχου. Για την αξιολόγηση της ικανότητας επιτάχυνσης ιόντων κατά την ακτινοβόληση των οπτικά διαμορφωμένων στόχων από τον κύριο υπερβραχύ παλμό λέιζερ, πραγματοποιήθηκαν τρισδιάστατες προσομοιώσεις τύπου Particle-In-Cell (PIC). Οι προσομοιώσεις προέβλεψαν την επιτάχυνση πρωτονίων και ιόντων με κινητικές ενέργειες που φθάνουν έως και τα 14 MeV ανά νουκλεόνιο. Παράλληλα, ανέδειξαν τη δημιουργία μαγνητικών δινών έντασης πολλών kilotesla, γεγονός που υποδηλώνει ότι το MVA αποτελεί τον κυρίαρχο μηχανισμό επιτάχυνσης. Πειράματα επιτάχυνσης ιόντων πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το 45 TW Zeus Ti:Sapphire σύστημα laser στο Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος και Λέιζερ του Πανεπιστημιακού Κέντρου Έρευνας & Καινοτομίας του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου. Παθητικοί ανιχνευτές ιόντων (CR39) χρησιμοποιήθηκαν για την πειραματική επίδειξη επί της αρχής. Ενέργειες ιόντων έως 13,6 MeV ανά νουκλεόνιο μετρήθηκαν πειραματικά με καλή επαναληψιμότητα, σε συμφωνία με τις προσομοιώσεις, επικυρώνοντας την αποτελεσματικότητα της μεθόδου οπτικής διαμόρφωσης. Τα πειράματα διεκπεραιώθηκαν με διαστήματα ~10 δευτερολέπτων μεταξύ παλμών, ώστε να επιτρέπουν την πλήρη αποκατάσταση των συνθηκών κενού του θαλάμου, επιτυγχάνοντας ρυθμό επανάληψης πειράματος 0,1 Hz.