Laser-driven proton acceleration and detection at high repetition rate

Abstract

[ES]Durante más de dos décadas, la aceleración de protones impulsada por láser ha sido un campo importante de investigación con un interés potencial para varias aplicaciones en diferentes campos de la física, la química y la ciencia de los materiales, así como en el área biomédica y el patrimonio cultural. Sin embargo, la interacción láser-materia es un proceso complejo que todavía no está totalmente controlado y la interacción resultante depende principalmente de los parámetros del láser y del plasma. Se están desarrollando diversas actuaciones para comprender el proceso detrás de este mecanismo a través de la caracterización de las propiedades espectrales y espaciales del haz de protones. Con la llegada de los láseres de alta potencia que funcionan con alta repetición, por lo tanto, es esencial un desarrollo cuidadoso de diagnósticos de partículas adecuados para el análisis en tiempo real de disparo a disparo. La tesis doctoral se centra en la generación, transporte y detección de una fuente de protones generada por láser. En la primera parte de la tesis se explorará la teoría de los protones y los electrones rápidos generados por la interacción de un pulso láser ultra intenso en un plasma sobredenso. En la segunda parte, se presenta el desarrollo de un detector de protones basado en centelleo, capaz de medir tanto la energía del haz de protones como su distribución espacial y capaz de operar en un modo de alta repetición. El detector ha sido diseñado y construido en el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) y probado en colaboración con instalaciones europeas. El trabajo relacionado con el desarrollo de este nuevo diagnóstico, incluidas las investigaciones tanto teóricas como experimentales, se describe en la tesis. La parte final de la tesis está dedicada a los experimentos de puesta en marcha del sistema láser de petavatio VEGA-3. Se presentan la implementación de nuestro detector de centelleo y los resultados preliminares del experimento.

[EN]For more than two decades, laser-driven proton acceleration has been an important eld of research with a potential interest for several applications in di erent elds of physics, chemistry and material science as well as biomedical and cultural heritage. However, the laser-matter interaction is a complex process which is still not totally controlled and the resulting interaction depends mainly on laser and plasma parameters. Still many studies are carried out to understand the process behind this mechanism through the characterization of the spectral and spatial properties of the proton beam. With the advent of high power lasers working at high repetition rate, a careful development of particle diagnostics suitable for online shot-to shot analysis is therefore essential. The PhD thesis focuses on the generation, transport and detection of laser-driven proton source. The theory of protons and fast electrons driven by the interaction of ultra-intense laser pulse in overdense plasma will be explored in the rst part of the thesis. In a second part, the development of a scintillator-based proton detector, able to measure both the proton beam energy and its spatial distribution and capable of being set in a high repetition mode is presented. The detector has been designed and built at the Spanish Center for Pulsed Lasers (CLPU) and tested in collaboration with facilities across the EU. The work related to the development of this new diagnostic, including both theoretical and experimental investigations, is described in the thesis. The nal part of the thesis is dedicated to the commissioning experiments of the petawatt laser system VEGA 3, which has recently started the operation phase. Implementation of our scintillator detector and preliminary results of the experiment are presented