Laser-Driven Plasma Waves for Particle Acceleration and X-ray Production

Abstract: Popular Abstract in Swedish Denna avhandling ger en introduktion till laser-plasma acceleratorer, vilket även utgör ämnet för de vetenskapliga artiklar som ingår i avhandlingen. Det är en ny typ av acceleratorer som utnyttjar mycket kraftfulla lasrar för att accelerera elektroner och protoner. Partikelacceleratorer används för att ge partiklar hög rörelseenergi, vilket kan utnyttjas för många olika tillämpningar, t.ex. inom medicin, och för att generera intensiv röntgenstrålning. Vanliga partikelacceleratorer är baserade på elektriska fält i kaviteter av metall, som endast tål begränsade fältstyrkor. De måste därför göras väldigt långa för att riktigt höga partikelenergier ska kunna uppnås. Av den anledningen är antalet acceleratorer som kan accelerera partiklar till de mycket höga energier som behövs för studier av elementarpartikelfysik och för att producera intensiv röntgenstrålning, av kostnadsskäl begränsat. Acceleratorer som baseras på laserproducerade plasmer fungerar helt annorlunda. Med dessa kan elektroner accelereras på betydligt kortare sträckor , och dessutom producera röntgenstrålning på samma gång. Det innebär att man eventuellt kommer att kunna bygga mycket kompakta acceleratorer och röntgenkällor för olika tillämpningar i framtiden. De laserpulser som utnyttjas för experimenten som beskrivs i denna avhandling har mycket hög toppeffekt. Varje ljuspuls har ca en joule energi, men varar endast i ca 30 femtosekunder (1 fs=10^-15 s). Toppeffekten i varje puls blir på så vis mycket hög, av storleksordningen tiotals terawatt (10^12 W). När dessa ljuspulser fokuseras till en liten fläck, eller strålmidja, med en diameter om endast några få mikrometer, blirev ljusintensiteten där extremt hög. Materia som utsätts för så starkt ljus joniseras redan under ljuspulsens stigtid, så att ett plasma bildas. Ett plasma är ungefär som en gas av positivt laddade joner och negativt laddade elektroner som rör sig fritt relativt varandra. Toppen av ljuspulsen växelverkar alltså med fria laddningar. Den kan driva kollektiva rörelser hos de lätta elektronerna, medan de betydligt tyngre jonerna kan betraktas som opåverkade under den korta tid laserpulsen växelverkar med plasmat. Det visar sig att en intensiv laserpuls som passerar genom ett tunt plasma trycker undan elektroner och skapar en våg bakom sig, ungefär på samma vis som en båt på en sjö. Den variation i elektrontäthet som vågen utgör leder till starka elektriska fält, riktade i vågens utbredningsriktning. Ljuspulsens elektromagnetiska fält, som svänger vinkelrätt mot utbredningsriktningen, har alltså i plasmat omvandlats till ett longitudinellt fält som följer vågen, med ljuspulsen hastighet. Fältstyrkor av storleksordningen 100 gigavolt per meter (GV/m) kan skapas, vilket är många storleksordningar högre än vad som kan åstadkommas med konventionell teknik. Där är styrkan på de elektriska fälten begränsad på grund av risken för elektriska överslag i kaviteterna. I vårt fall existerar inte denna risk, eftersom vi redan är i ett joniserat medium. De longitudinella fälten i plasmat lämpar sig för att accelerera laddade partiklar. Speciellt elektroner kan fångas av vågen och accelereras till hundratals mega-elektronvolt (MeV) på bara några få mm, ungefär som en surfare på en våg på havet. Som en konsekvens av den extrema styrkan i det elektriska fältet kan accelerationssträckan vara mycket kort. Förutom de longitudinella elektriska fälten förekommer även transversella fält, vilket gör att elektroner som accelereras i framåtriktningen samtidigt svänger vinkelrätt mot denna. De svängande elektronerna skickar då ut elektromagnetisk strålning i framåtriktningen, på samma vis som elektronerna i en undulator eller wiggler vid en konventionell synkrotronljusanläggning. Strålningen som har studerats och diskuteras i denna avhandling ligger inom energiområdet 1-10 kiloelektronvolt (keV). Denna, i framtiden ännu hårdare röntgenstrålning, kan komma att visa sig användbar för en rad intressanta tillämpningar. Såväl elektron- som röntgenpulserna har speciella egenskaper på grund av att de inblandade processerna sker på så extremt liten skala. Pulserna blir mycket korta (av storleksordningen 10 fs) och strålkällan får ytterst liten utbredning, endast ett fåtal mikrometer. Denna nya strålningskälla har därför stor potential för tidsupplösta studier. Bland de experiment som beskrivs i denna avhandling har användningen av kapillärrör av glas undersökts som en metod för att förlänga accelerationssträckan genom att leda laserpulserna genom röret och på så vis motverka diffraktion. Plasmavågor som utbredde sig över flera cm inne i dylika rör kunde produceras och karaktäriseras. Dessutom studerades elektroner som accelererats och röntgenstrålning som genererats inne i rören. Vi fann då att det är möjligt att fånga och accelerera elektroner med lägre laserintensitet än utan kapillärrör. Parallellt med dessa studier utvecklades och installerades ett aktivt reglersystem för att förbättra laserstrålens riktningsstabilitet, vilket visade sig vara väsentligt för experiment med kapillärer. I andra studier modifierades fokusfläckens form på ett kontrollerat sätt med hjälp av adaptiv optik. Genom att lägga till aberrationen koma kunde fläcken göras asymmetrisk på ett systematiskt och välbestämt sätt. Detta visade sig leda till mer divergenta elektronpulser, men samtidigt hårdare röntgenstrålning. Detta följer av att elektronerna på grund av asymmetrin i fokus fås att svänga med större amplitud kring utbredningsriktningen. Genom att i stället lägga till sfärisk aberration kunde inverkan av strålmidjans form på vågens förmåga att fånga och accelerera elektroner studeras. Joner kan också accelereras med lasrar med hög intensitet. Då utnyttjas ett fast strålmål, vanligtvis en tunn metallfolie med endast några mikrometers tjocklek. När laserpulsen växelverkar med det täta plasma som bildas på strålmålet, trycks elektroner genom folien till baksidan där de expanderar ut i vakuum, varvid ett extremt starkt elektrostatiskt fält skapas. Detta fält är riktat vinkelrätt mot ytan och kan nå en styrka av storleksordningen teravolt per meter (TV/m). Protoner och andra joner, till exempel från vattenmolekyler eller föroreningar på foliens baksida, kan accelereras i dessa fält till flera MeV på bara några få mikrometers accelerationssträcka. Två olika sätt att öka, eller modifiera, energifördelningen hos laseraccelererade protoner utan att öka lasereffekten presenteras i denna avhandling. Först visade vi hur 100 fs långa förpulser, vid rätt vald tid, kunde förbättra absorptionen av huvudpulsen och därmed öka effektiviteten. Sedan visade vi att ihåliga mikrosfärer kan vara intressanta som strålmål vid protonacceleration. Dessa möjliggör nämligen att elektroner som inte direkt bidrar till acceleration, utan sprids transversellt på ytan, kan bidra till acceleration när de möts på sfärens motsatta sida och där etablerar ett andra accelerationsfält.