Laser-Driven Particle Acceleration - Improving Performance Through Smart Target Design

Popular Abstract in Swedish Manga forskningsprojekt inom materialvetenskap, medicin eller grundlaggande fysik kraver smala stralar av laddade partiklar som fungerar som provtagare for att undersoka materiens egenskaper. Dessa partiklar kan vara protoner, elektroner lattare joner. Relativt ofta, behover de accelereras nastan upp till ljusets hastighet for att kunna tranga in tillrackligt djupt i provet som ska studeras. Ett ratt intressant exempel pa en tillampning av protonstralar ar att destruera tumorer vid ett visst vavnadsdjup utan att skada omgivande vavnad, jamfort med anvandandet av rontgenstralar, som ar standarden idag. Alternativt kan stralar av snabba elektroner bojas med hjalp av magneter, vilket leder till emission av ljus i ett valdigt brett fargspektrum som stracker sig fran rontgenstralning till infrarott med overlagsna stralegenskaper jamfort med alternativa ljuskallor. Laserdriven partikelacceleration avser att anvanda sig av extremt starka transversella oscillerande elektriska falt, vilka blir tillgangliga nar man fokuserar ljuset hos en modern pulsad hogeffektslaser. For partikelacceleration maste dessa dock likriktas pa nagot vis, sa att partiklarna utsatts for ett kontinuerligt longitudinellt accelererande falt. Den har omvandlingen sker inuti ett plasma. Plasmat kan besta av vilket material som helst, da det upphettas till en temperatur sa pass hog att elektronerna inte langre ar bundna till atomkarnorna och materialet blir joniserat. Detta sker i fokuspunkten nar laserljuset traffar malet som t.ex. kan vara en gas eller en tunn folie. Samtidigt kan en sadan vaxelverkan producera korta pulser av rontgenstralning eller magnetiska falt, som kan vara av storleksordningen en miljon ganger jordens magnetiska falt. Utover partikelacceleration kan man dessutom skapa miljoer som liknar astrofysikaliska forhallanden som studieobjekt i ett laboratorium. Beroende pa densiteten av fria elektroner, plojer en fokuserad ljuspuls genom plasmat, likt en kanonkula av ljus, som knuffar och forflyttar elektroner som kommer i dess vag. Detta frambringar en vag i plasmat efter ljuspulsen, likt kolvattnet bakom en motorbat. Har finns nu bland annat longitudinella elektriska falt som kan ge upphov till en extremt snabb acceleration, mycket snabbare an vad som ar tekniskt mojligt med konventionella hogfrekvensacceleratorer som t.ex. anvands for the Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz eller Max IV i Lund i Sverige. Principiellt skulle detta kunna tillata att acceleratorns langd kan minskas med en faktor ett tusen. Detta innebar att en flera hundra meter lang linjaraccelerator skulle kunna krympas till nagra centimeter. Oftast kan dessa extrema accelerationsfalt inuti plasmat dessvarre endast uppratthallas over nagra millimeter. Detta innebar att den tillgangliga maximala energin hos elektronerna ar begransad och losningar maste utvecklas for att utoka denna strackan. I ett tatare plasma forflyttar den extremt intensiva laserpulsen fortfarande elektroner, men reflekteras efter att den har overfort delar av sin energi till en del av elektronerna. Kortlivade statiska falt skapas vid kanten av malet, som i sin tur kan accelerera partiklar sasom protoner eller joner pa malets yta. Forskningen, som presenteras i den har avhandlingen, syfter pa att utforska mojligheter inom laser-materievaxelverkan for att forbattra prestanda hos laserdriven partikelacceleration. I synnerhet genom att oka effektiviteten i energioverforingen fran laserenergi till onskad partikelenergi eller genom att forlanga vaxelverkningslangden med lasern genom utveckling av en smart target design. Detta har lett fram till tre nya accelerationsteknier: En metod som anvander sig av en ihalig glasmikrosfar, tradinjektionstekniken och anvandningen av en glaskapillar, vilka presenteras och diskuteras i den har avhandlingen. (Less)