Development and characterization of targets to test laser proton acceleration to GeV energies using novel acceleration mechanisms

• Applicant: Professor Dr. Markus Roth
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2012 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 222910124

Die Beschleunigung von Ionen durch ultra-intensive Laser ist ein junges Forschungsgebiet mit großem Potenzial für die Grundlagenforschung und für Anwendungen. Für Anwendungen z.B. in der Medizin (Tumortherapie) werden Protonenstrahlen von einigen hundert MeV benötigt. Bislang sind alle Versuche diese Strahlen durch Hochleistungslaser zu erzeugen gescheitert. Neue Beschleunigungsmechanismen erfordern neuartige Targets, welche entwickelt und verlässlich reproduzierbar hergestellt werden müssen. Ein theoretisch vorhergesagter, und in ersten Experimenten nachgewiesener Mechanismus ist der sogenannte Break-Out-Afterburner (BOA), dessen theoretische Grundlagen 2006 am Los Alamos National Laboratory entwickelt und zumindest grundlegend 2010 nachgewiesen wurde. Nach den Berechnungen sollte ein reines, gefrorenes, freistehendes und dünnes Wasserstofftarget bei heute erreichbaren Laserparametern Protonenenergien über 200 MeV, und mit zukünftig realisierbaren Lasersystemen bis zu einem GeV ermöglichen. Das Ziel des Antrages ist es ein solches Target herzustellen, zu charakterisieren und die theoretischen Vorhersagen am Experiment zu überprüfen. Ein Erfolg des Projektes würde einen Durchbruch bei der Nutzung einer kompakten Laser-Teilchenbeschleunigung darstellen.Seit dem Datum der ersten Einreichung des Antrages sind weitere experimentelle Hinweise auf die Existenz des BOA Mechanismus gefunden worden. Aufgrund des Fehlens eines optimierten Targets sind jedoch bislang alle Experimente im Bezug auf die gefundenen Teilchenenergien weit hinter den theoretisch vorhergesagten Erwartungen oder der Relevanz für z.B. medizinische Anwendungen geblieben.

• DFG Programme: Research Grants