Πειραματική και αριθμητική μελέτη επιτάχυνσης σωματιδίων μέσω λέιζερ από στερεούς στόχους.

Abstract

Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η πειραματική μελέτη της αλληλεπίδρασης των υπερβαχέων παλμών του “Zeus” 45TWlaser του Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος &Lasers – IPPL με λεπτούς στερεούς στόχους. Πρωτόνια και ηλεκτρόνια επιταχυνθήκαν από στόχους αλουμίνιου πάχους λίγων μm. Η στερεοί στόχοι ακτινοβολήθηκαν με παλμούς διαρκείας μερικώνfs και ένταση άνω των 1020W/cm2. Πειράματα με την τεχνική TargetNormalSheathAcceleration – TNSA πραγματοποιήθηκαν, οπού μετρήθηκαν δέσμες πρωτονίων ενέργεια ~2MeVκαθώς και δέσμες ηλεκτρονίων ενέργειας εκατοντάδων keV (~600keV). Επίσης πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης υψηλής έντασης προ-παλμού, ο οποίος καταφθάνει στον στόχο πριν τον κύριο παλμό, στην επιτάχυνση των σωματιδίων. Η έρευνα αύτη επεκτάθηκε περεταίρω με την υλοποίηση Particle-In-Cell – PIC δισδιάστατων προσομοιώσεων, με την χρήση του ανοιχτού σχετικιστικού EMMPIπαράλληλου κώδικα EPOCH. Πραγματοποιήθηκε μελέτη των αποτελεσμάτων της εξάπλωσης προ-πλάσματος πριν την άφιξη του κύριου παλμού για τρεις στόχους διαφορετικού πάχους,καθώς και για δυο, διαφορετικής χρονικής διαρκείας, παλμούς. Τα αποτελέσματά των προσομοιώσεων υποδείξαν ότι επιπλέων μηχανισμοί επιτάχυνσης σωματιδίων, πέραν του TNSA,λαμβάνουν χώρακατά τη χρήση τόσο ακραίων εντάσεων laser.

The present thesis is focused on the investigation of the experiments performed in Instituteof Plasma Physics & Lasers – IPPL by the interaction of “Zeus” a 45TW ultrafast laser with thin solid targets. Proton and electron particles were accelerated using Aluminum thin foil targets of a few μm thickness. The solid targets were irradiated by pulses of a few fsduration, withintensities above the 1020W/cm2. Target Normal Sheath Acceleration - TNSA experiments were performed and proton beams of ~2MeV, as well as electron beams of hundreds keV (~600keV), energies were correspondingly measured. The effects of an intense laser prepulse, preceding the peak intensity of the main laser pulse, on the acceleration of the particles, were alsostudied. This research was further extended to include Particle-In-Cell - PIC simulations in two dimensions, using the opensource advance relativistic EM MPI parallelized code EPOCH, developed under the Extendable PIC Open Collaboration project in UK. The effects of preplasma expansion for three characteristic target thicknesses and two representative pulse durations, were investigated. Thesimulation resultshighlight that under such extreme laser intensities, particle acceleration mechanisms beyond charge separation emerge.