Theoretische Untersuchungen des TNSA Prozesses

Theoretische Untersuchungen des TNSA Prozesses
In theoretischen Arbeiten zur laserbasierten Ionenbeschleunigung untersuchen wird den Target Normal
Sheath Acceleration (TNSA) Prozess, welcher die Beschleunigung von Ionen auf kinetische Energien
von einigen 10MeV pro Nukleon ermöglicht. In diesem Prozess trifft ein relativistischer Laserpuls - mit
Intensitäten größer als 1018W/cm2 - auf eine dünne Targetfolie und führt zur sofortigen Bildung eines
Plasmas auf der Targetvorderseite. Durch die Wechselwirkung des Laserpulses mit diesem Plasma
werden Elektronen auf relativistische Energien beschleunigt - mit kinetischen Energien größer als
mec2? 0,5MeV - und in das Target gedrückt. In der Folge propagieren die heißen Elektronen durch das
Target und verlassen dieses auf der Rückseite. Dadurch kommt es zu einer Ladungstrennung auf der
Targetrückseite, welche die Elektronen zur Rückkehr ins Target zwingt. Solange der Laser auf der
Vorderseite weitere heiße Elektronen erzeugt, laufen die Prozesse des Auftretens und der Umkehr der
Elektronen ins Target gleichzeitig ab, und es bildet sich eine quasistationäre Ladungswolke auf der
Targetrückseite aus. Die Ladungstrennung erzeugt ein starkes, quasistationäres elektrisches Feld mit
Feldstärken in der Größenordnung von TVm-1, welches zur sofortigen Ionisation der Atome auf der
Targetrückseite führt. In diesem starken elektrischen Feld werden die erzeugten Ionen auf einige
10MeV pro Nukleon beschleunigt.
Das Hauptziel unserer theoretischen Arbeiten besteht darin, die experimentell beobachteten
Eigenschaften dieser hochenergetischen Ionen zu verstehen. Hierbei sind wir insbesondere an der
maximalen Ionenenergie interessiert, die unter gegebenen experimentellen Bedingungen erzielt
werden kann. Zu diesem Zweck beschreiben wir die Ionenbeschleunigung über den TNSA-Prozess
Schema mit Hilfe von verschiedenen eindimensionalen Modellen. Mit diesen Modellen kann der
Beschleunigungsprozess sowohl analytisch als auch numerisch untersucht werden. Im Rahmen
unserer Forschungsarbeit haben wir u.a. herausgefunden, dass zahlreiche Aspekte das resultierende
Ionenspektrum und die maximale Ionenenergie beeinflussen. Zum Beispiel führt eine Deformation der
Targetrückseite, welche aus einer vom Laservorpuls induzierten Schockwelle resultiert, zu einer
deutlichen Reduktion der Ionenenergien. Aktuell versuchen wir den Einfluss des Laservorpulses auf
den TNSA Prozess systematisch zu untersuchen. Außer der Form der Targetrückseite ist insbesondere
noch die detaillierte Energieverteilung der heißen Elektronen entscheidend. Während die
Energieverteilung der heißen Elektronen normalerweise durch eine Maxwellverteilung beschrieben
wird, haben wir herausgefunden, dass die veröffentlichten Daten von zahlreichen Experimenten, die
ultrakurze Laserpulse benutzt haben, mit Pulslängen kleiner 80 fs, viel besser beschrieben werden
können unter der Annahme einer nicht-maxwellartigen Energieverteilung. Da die Erzeugung der heißen
Elektronen nicht umfassend verstanden ist, bleiben offene Fragen, z.B. unter welchen Bedingungen
eine nicht-maxwellartige Energieverteilung der heißen Elektronen entstehen könnte. In zukünftigen
Arbeiten werden wir versuchen, einige der offenen Fragen mit Hilfe von mehrdimensionalen
Computercodes anzugehen.
Theoretische Untersuchungen des TNSA Prozesses
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