particle diagnostics

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1 Graduate lecture Diagnostics of plasma generated by intense lasers Georg Pretzler Institut für Laser- und Plasmaphysik Heinrich-Heine-Universität GRK, Jülich, /05 chapter 3: particle diagnostics 1

2 Particle beam profile (angular distribution) Scintillators, films Beispiel: Leuchtschirm ( Lanex screen ) erzeugt ein Live-Bild von der Elektronenverteilung Laser Gasstrahl Elektronen 1 mm Kamera 2

3 Beispiel: Image-plate Bilder von kev- und MeV-Elektronen IP laser out 90 laser in energy: 100 µj duration: 8 fs 135 solid -135 surface Accelerated protons: RCF-stacks recover the divergence of different energies Protonenfilmstapel Protonenerzeugungslaser Protonenstrahl Folie 3

4 Accelerated protons: RCF-stacks recover the divergence of different energies Folie Protonenerzeugungslaser Protonenfilmstapel Particle source distribution 4

5 Sichtbarmachung schneller Elektronen... mittels Cerenkov-Strahlung Experiment mit festem Target Laser Vorplasma Target: Cu-Folie Cerenkov-Medium Elektronenstrahl Cerenkov-Strahlung Objektiv (f / 2.5) 40 Einfall CCD-Kamera, 5 ns Auflösung Cerenkov-Strahlung erlaubt Elektronendiagnostik nahe am Ursprung Laserintensität: 3x10 18 W/cm 2 15x W/cm 2 Laser: zunehmende Intensität F. Brandl et al., Europhys. Lett. 61, 632 (2003) Cerenkov: zunehmende Helligkeit zunehmende Asymmetrie 5

6 Cerenkov-Strahlung erlaubt Elektronendiagnostik nahe am Ursprung Cerenkov-Signal [a.u.] Ortskoordinate x [mm] Laser Kupfer 1.5 x W/cm 2 F. Brandl et al., Europhys. Lett. 61, 632 (2003) Quarz For strong electron pulses: transition radiation makes electrons visible laser: 0.5 PW (RAL) electrons: total energy > 50 J temperature: 8 MeV R. Jung et al., PRL 94, (2005) 2 different electron populations visible: 2 different acceleration mechanisms 6

7 For strong electron pulses: current through plasma undergoes filamentation R. Jung et al., PRL 94, (2005) 3D-PIC simulation by A. Pukhov Time-of-flight spectrometers 7

8 TOF-Spektrometer für subrelativistische Elektronen Kollimierlinse feldfreie Driftstrecke t Fokussierlinse Quelle MCP x TOF-Spektrometer für subrelativistische Elektronen 8

9 TOF - Elektronenspektren ATI-Spektren Kontinuierliche Spektren (Multiphotonen-Ionisation) (Tunnel-Ionisation) TOF-Spektrometer für Fusionsneutronen 9

10 TOF-Spektroskopie an Fusionsneutronen: Ergebnisse TOF-Spektroskopie an Fusionsneutronen: Ergebnisse 10

11 Neutronenspektroskopie zur Plasmadiagnostik Field-dispersion spectrometers 11

12 Magnetic spectrometers: simple design high energies: dispersion function can be adjusted by magnetic field configuration 20 [cm] electrons 10 0 image plate detector B-field 0.35 T [cm] 5 MeV 10 MeV 15 MeV 20 MeV 25 MeV 40 MeV 80 MeV Magnetic spectrometers: focusing design focusing geometry: high efficiency and good resolution for divergent electron beams 20 image plate detector [cm] 15 MeV 10 MeV 10 5 MeV electrons 0 B-field 0.5 T 0 4 8[cm] 10 12

13 Magnetic spectrometers: readout by scintillating light-guiding fibers Laser Gasstrahl Elektronen Dipolmagnet ~ 150 mt CCD- Kamera Kupferblende (1 cm dick).5 MeV szintillierende Lichtleiterfasern 12 MeV C. Gahn et al., Rev. Sci. Instr. 71, 1642 (2000) Elektronen B Magnetic spectrometers: characterizing accelerated electrons Laser Gasstrahl Elektronen Ergebnis: 2x10 10 Elektronen/Puls Energien bis 12 MeV Kamera Kanalbildung 400 μm C. Gahn et al., PRL 83, 4772 (1999) Elektronen n / MeV 10 9 Experiment 3D PIC code T~0.8 MeV T~3.5 MeV Elektronenenergie [MeV] 13

14 Magnetic spectrometers: characterizing accelerated electrons standard exponential spectrum Magnetic spectrometers: characterizing accelerated electrons quasi-monoenergetic spectrum 14

15 Magnetic spectrometers: characterizing accelerated electrons double-peak spectrum Generating and detecting positrons Laser Gasstrahl Elektronen Bremsstrahlung Paarbildung ElektronenB ~ 150 mt Positronen Pb-Target Ergebnis: > 10 7 Positronen/Puls Blei C. Gahn et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2662 (2000) Szintillator 2 MeV - Positron 15

16 Proton spectroscopy results (magnetic spectrometer) Quantitative ion spectroscopy: Thomson parabola spectrometer 16

17 Detector-based spectrometers Quantitative ion detection: Solid state nuclear track detectors 17

18 Thomson parabola results Al-Folie mit C-Schicht: Anzahl von Ionen / 100 kev C 1+ C C 3+ C 4+ H kaltes Target Energie [MeV] n Ionen / 100 kev Anzahl vo C 1+ C C 3+ C 4+ C 5+ H geheiztes Target Energie [MeV] Beschleunigung schwererer Ionen gelingt durch Heizung Al-Folie mit C-Schicht: Anzahl von Ionen / 100 kev kaltes Target C 1+ C C 3+ C 4+ H Energie [MeV] n Ionen / 100 kev Anzahl vo C 1+ C C 3+ C 4+ C 5+ H geheiztes Target Energie [MeV] M. Hegelich et al., PRL (2003) 89, (2002) 18

19 Film-stack spectrometers Quantitative proton detection: Radiochromic film stacks 35 Proton energy [MeV] 30 layer A layer B RCF stack RCF layer number The dose deposited in an active layer will be mainly due to protons of a particular energy 19

20 Thermolumineszenz-Detektoren (TLDs) zur groben Spektrumsbestimmung Thermolumineszenz-Detektoren (TLDs) zur groben Spektrumsbestimmung 20