Compartir
Título
Beam and plasma diagnostics for high-repetition rate laser-driven particle accelerators
Autor(es)
Director(es)
Materia
Tesis y disertaciones académicas
Universidad de Salamanca (España)
Tesis Doctoral
Academic dissertations
Aceleradores de partículas
Láseres
Diagnóstico
Clasificación UNESCO
2208.05 Aceleradores de Partículas
Fecha de publicación
2023-08
Resumen
[EN] This thesis focuses on the Physics of intense laser-driven particle accelerators, which has
proven as a valuable alternative to conventional accelerator technology in several aspects,
presenting improved bunch duration and transversal beam quality. The advent of a new
generation of compact particle accelerators based on laser-plasma interaction and the interest
of its potential applications has implied the consequent development of novel diagnostics
techniques, capable to resolve the fine temporal and spatial scales of these experiments.
In addition, these dedicated diagnostics are required to operate at the high repetition rate
of the new class of fs-long table-top petawatt laser systems. This manuscript presents the
development and the experimental application of several diagnostics designed for the three
different main laser-plasma interaction regimes.
• An extensive study of several characterization techniques of gaseous targets for lasermatter
interaction experiments is presented, including interferometry, wavefront measurement
and Schlieren imaging. A parametric study of different classes of gaseous
targets with diverse geometries, compositions and operation principles is elaborated.
The application of underdense gas targets for laser wakefield electron acceleration
and high harmonics generation experiments in the sub-petawatt level is shown.
• An international collaborative research project in laser-driven ion acceleration in nearcritical
plasmas generated by high-density gas jets is presented. A summary of the
campaigns carried out in petawatt laser facilities is given, as well as the corresponding
experimental outcomes. A detailed description of the targetry and ultra-fast plasma
diagnostics elaborated for such campaigns is provided, yielding relevant findings for
the experimental optimization.
• The angular-resolved tomography of a laser-driven ion source has been achieved in
a overdense plasma experiment with a concept modification of a Thomson Parabola
spectrometer. The same instrument has also been successfully adapted into a novel
approach for pepper-pot spectrally-resolved measurements of the proton beam lateral
trace-space. This newly developed method have demonstrated to be capable to perform
a thorough characterization of the spatial features and laminarity regime of the
very complex ion beams generated by laser-plasma interaction, recognizing several
operational and resolution improvements when comparing with previous techniques.
[ES] El trabajo descrito en esta tesis se centra en la Física de los aceleradores de partículas
basados en la interacción de láseres intensos y plasmas, los cuales han demostrado ser una
alternativa considerable a los aceleradores de partículas convencionales en muchos aspectos,
presentando mejor duración y calidad transversal de los haces. La aparición de una
nueva generación de aceleradores de partículas compactos basados en la interacción láser-plasma
y el interés en sus potenciales aplicaciones ha supuesto el desarrollo de nuevas
técnicas de diagnóstico, capaces de resolver las pequeñas escalas espaciales y temporales
de dichos experimentos. Además, estos diagnósticos deben ser capaces de operar a la alta
tasa de repetición de los nuevos sistemas láser compactos de petavatio de duración de femtosegundo.
Esta tesis presenta el desarrollo y la aplicación experimental de una serie de
diagnósticos diseñados para los tres principales regímenes de la interacción laser-plasma.
• Se presenta un extenso estudio de varias técnicas de caracterización de blancos gaseosos
para experimentos de interacción láser-materia, incluyendo interferometría, medida
de frente de onda y estrioscopía. La investigación paramétrica de distintos tipos de
blancos gaseosos, con diversos principios de funcionamiento, geometrías y composiciones
es elaborada. Así mismo, se muestra el uso de estos blancos subdensos para la
aceleración de electrones en estela láser y para la generación de altos armónicos con
potencias láser por debajo de petavatio.
• Se presenta un proyecto de investigación colaborativo internacional centrado en la
aceleración de iones basada en láser en plasma de densidad crítica creados a partir de
un sistema de gas de alta presión. Se elabora un resumen de las campañas experimentales
llevadas acabo en instalaciones láser de potencia de petavatio y de los resultados
experimentales correspondientes. Los diagnósticos elaborados para la inspección del
blanco y del plasma son detallados, habiendo arrojado resultados relevantes para la
optimización experimental.
• Se ha realizado la tomografía resuelta en ángulo de una fuente de iones generada por
láser en un plasma sobre-denso gracias a la modificación de un espectrómetro tipo
Thomson Parabola. El mismo instrumento también ha sido exitosamente adaptado
en un diagnóstico tipo "pepper-pot" para medidas del espacio de fases de un haz de
protones resuelto en energía. Este nuevo método ha demostrado ser capaz de realizar
una detallada caracterización de las propiedades espaciales y del régimen de laminaridad
de los complejos haces de iones generados por interacción láser-plasma, reconociendo
además diversas mejoras operacionales y de resolución de medida frente
a técnicas anteriores.
URI
DOI
10.14201/gredos.157576
Colecciones