Protonenbeschleunigung

In Experimenten zur laserbasierten Ionenbeschleunigung an POLARIS werden verschiedene Mechanismen, welche die Beschleunigung von Protonen und schwereren Ionen durch relativistische Laserpulse ermöglichen, untersucht. In diesen Prozessen trifft ein  relativistischer Laserpuls - mit Intensitäten größer als 10¹⁸W/cm² - auf eine dünne Targetfolie, was zu einer sofortigen Bildung eines sogenannten Vorplasmas auf der Targetvorderseite führt. Durch die Wechselwirkung des Laserpulses mit diesem Vorplasmas werden Elektronen auf relativistische Energien beschleunigt und in das Target gedrückt. In der Folge propagieren die sogenannten heißen Elektronen durch das Target und verlassen dieses auf der Rückseite. Dadurch kommt es zu einer Ladungstrennung auf der Targetrückseite, welche die Elektronen zur Rückkehr ins Target zwingt. Solange der Laser auf der Vorderseite weitere heiße Elektronen  erzeugt, laufen die Prozesse des Auftretens und der Umkehr der Elektronen ins Target gleichzeitig ab, und es bildet sich eine quasistationäre Ladungswolke auf der Targetrückseite aus. Die Ladungstrennung erzeugt ein starkes, quasistationäres elektrisches Feld mit Feldstärken in der  Größenordnung von TV/m, welches zur sofortigen Ionisation der Atome auf der Targetrückseite führt. In diesem starken elektrischen Feld werden die erzeugten Protonen auf einige 10MeV beschleunigt.

Um die Beschleunigung der Protonen mittels des TNSA-Prozesses zu optimieren ist es notwendig die Erzeugung heißer Elektronen auf der Targetvorderseite zu verstehen und zu verbessern. Hierfür ist ist  eine genaue Kenntnis des erzeugten Vorplasmas notwendig. Dies erfolgt durch Messung und Simulation der Plasmadichte und weiterer Plasmaparameter, wobei die Messmethoden aktuell noch stark limitiert sind. Auch die Verwendung von speziell designten Targets, wie beispielsweise Carbon Nanofoams oder Nanostrukturierten Targets geben wertvolle Hinweise auf die Abhängigkeiten der Laserabsorption beispielsweise auf die Dichte und/oder räumliche Ausdehnung des Vorplasmas.

Unsere Forschungsschwerpunkte sind:

• Untersuchungen zur Erzeugung und Ausbreitung von lasergenerierten Plasmen
• Entwicklung und Optimierung optischer Messmethoden auf der Basis breitbandiger Probe-Pulse
• Untersuchung der Protonenbeschleunigung mit ultra-dünnen Targetmaterialen im Nanometerbereich
• Untersuchung der Protonenbeschleunigung mit neuartigen Targetgeometrien bzw. Targetstrukturen