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Mikhail Gyrdymov

• Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei Schwerpunkte behandelt: 1) Die hocheffektive Beschleunigung von Elektronen und Protonen durch die Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Schäumen. 2) Die Erzeugung und Messung hochintensiver Betatronstrahlung von direkt laserbeschleunigten (DLA-) Elektronen. 3) Die Anwendung von DLA-Elektronen für den biologischen FLASH-Effekt mit einer rekordbrechenden Dosisrate. Die direkte Laserbeschleunigung von Elektronen wurde durch die Wechselwirkung eines sub-ps-Laserpulses mit einer Intensität von ~ 10^19 W/cm^2 mit einem Plasma nahe kritischer Elektronendichte (NCD) untersucht. Ein sub-mm langes NCD-Plasma wurde durch Erhitzen eines Schaums mit einer niedrigen Dichte mit einem ns-Puls von 10^13-10^14 W/cm^2 erzeugt. Die Experimente wurden an der PHELIX-Anlage (Petawatt Hoch- Energie Laser für Schwerionenexperimente) in den Jahren 2019 – 2023 durchgeführt. Während der Suche nach optimalen Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen und Protonen wurden die Parameter des ns-Pulses variiert und verschiedene Targets verwendet. Es wurde gezeigt, dass das Plasma im Schaum gute Voraussetzungen für die Erzeugung gerichteter, ultrarelativistischer DLA-Elektronen mit Energien von bis zu 100 MeV bietet. Die Elektronen weisen eine Boltzmann-ähnliche Energieverteilung mit einer Temperatur von 10-20 MeV auf. Optimale Bedingungen für eine effektive Beschleunigung von DLA-Elektronen wurden bei der Kombination eines CHO-Schaums mit einer Dichte von 2 mg/cm3 und einer Dicke von 300-500 µm mit einer Metallfolie erreicht. Die Gesamtladung der detektierten Elektronen mit Energien über 1,5 MeV erreichte 0,5-1 µC mit der Umwandlungseffizienz der Laserenergie von ~ 20-30%. Außerdem wird die Beschleunigung von Protonen durch DLA-Elektronen anders verursacht als bei typischer Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Für die Untersuchung der lokalen Protonenenergieverteilung wurden Magnetspektrometer unter verschiedenen Winkeln zur Laserachse verwendet. Dafür wurde eine Filtermethode entwickelt, welche es ermöglicht, Spektren von Protonen mit Energien von bis zu 100 MeV zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass am PHELIX durch die Kombination von einem ~ 300-400 µm dicken CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer 10 µm dicken Au-Folie bei einer Intensität des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2 und unter Verwendung eines optimierten ns-Vorpulses eine optimale Protonenbeschleunigung erreicht wurde. Es wurde ein TNSA-ähnliches Regime mit einer maximalen Cut-off-Energie von 34±0,5 MeV beobachtet. Im Vergleich dazu wurde bei der typischen TNSA unter Verwendung einer 10 µm dicken Au-Folie als Target und derselben Laserintensität eine maximale Cut-off-Energie von 24±0,5 MeV gemessen. Darüber hinaus beobachteten wir einen sehr schwachen Abfall der Protonenanzahl in Abhängigkeit von der Protonenenergie (anders als bei der typischen TNSA) und eine sehr regelmäßige Protonenstrahlverteilung in einem breiten Winkelbereich bis zu hohen Energien. Dies könnte zur Verbesserung der Qualität der Protonenradiographie von Plasmafeldern genutzt werden. Beim DLA-Prozess (im NCD-Plasma) entsteht Betatronstrahlung durch die Oszillationen von Elektronen in quasi-statischen elektrischen und magnetischen Feldern des Plasmakanals. Um diese Strahlung zu untersuchen, wurde ein neues modifiziertes Magnetspektrometer (X-MS) konstruiert. Das X-MS ermöglicht die 1D-Auflösung mehrerer Quellen. Dank dieser Spezifikation war es möglich, Betatronstrahlung von Bremsstrahlung der ponderomotorischen Elektronen im Metallhalter zu trennen und zu messen. Im Experiment mit einem CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer Dicke von ~ 800 µm als Target wurde die von den optimierten DLA-Elektronen erzeugte Betatronstrahlung gemessen. Bei einer Peak-Intensität des dreieckigen ns-Pulses von ~ 3·10^13 W/cm^2 und des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2, welcher 4±0,5 ns gegenüber dem ns-Puls verzögert war, betrug der Halbwinkel im FWHM-Bereich des Elektronenstrahls 17±2°. Unter diesen Bedingungen war die Betatronstrahlung mit einem Halbwinkel im FWHM-Bereich von 11±2° für die Photonen mit Energien über 10 keV ebenfalls gerichtet. Die Photonenanzahl mit Energien über 10 keV wurde auf etwa 3·10^10 / 3·10^11 (gerichtete Photonen / Photonen im Halbraum entlang der Laserstrahlrichtung) abgeschätzt. Die maximale Photonenanzahl pro Raumwinkel betrug ~2·10^11 photons/sr. Die Brillanz der registrierten Betatronstrahlung erreichte ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) bei 10 keV. Die Verwendung eines Hochstromstrahls aus DLA-Elektronen für die FLASH-Strahlentherapie ermöglicht das Erreichen einer Dosis von bis zu 50-70 Gy während eines sub-ps-Laserpulses. Im Jahr 2021, während der P213-Strahlzeit am PHELIX wurde der Sauerstoffkonzentrationsabfall bei der Bestrahlung von Medien (Wasser und andere biologische Medien) mit DLA-Elektronen in Abhängigkeit von der Dosis untersucht. Die Strahlendosis wurde hierbei indirekt gemessen. Hierfür wurde eine Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Dosis innerhalb des „Wasser-Containers“ auf Basis von Messungen außerhalb des Containers mit einem untersuchten Medium zu ermitteln. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und einer Monte-Carlo-Simulation für Wasser gezeigt. Die registrierte Dosisrate erreichte einen Rekordwert von ~ 70 TGy/s.
• This doctoral thesis addresses three main topics: 1) The highly effective acceleration of electrons and protons through the interaction of relativistic laser pulses with foams. 2) The generation and measurement of ultra-bright betatron radiation from the Direct Laser Accelerated (DLA-) electrons. 3) The application of DLA electrons for the biological FLASH effect with a record-breaking dose rate. Direct laser acceleration of electrons in interaction of a sub-ps laser pulse of ~ 10^19 W/cm^2 intensity with a long-scale plasma of near critical electron density (NCD) was investigated. A sub-mm long NCD plasma was produced by heating a low-density polymer foam by a ns pulse of 10^13-10^14 W/cm^2 intensity. The experiments were conducted at the PHELIX facility (Petawatt High-Energy Laser for Heavy-Ion Experiments) between 2019 and 2023. In the search of optimal conditions for the electron and proton acceleration, the parameters of the ns pulse were varied, and different combinations of targets were used including foams with different densities and thicknesses as well as in combination with a metal or plastic foil. It was clearly demonstrated that the NCD plasma provides good conditions for the generation of directed, ultrarelativistic DLA electrons with energies up to 100 MeV and a Boltzmann-like energy distribution with a temperature of 10-20 MeV. Optimal conditions for effective acceleration of DLA electrons were achieved by combining a CHO foam with a density of 2 mg/cm^3 and a thickness of 300-500 µm with a metal foil. The total charge of the registered electrons with energies above 1.5 MeV achieved 0.5-1 µC and the laser energy conversion efficiency achieved 20-30%. Furthermore, the acceleration of protons by DLA electrons is caused differently than in typical Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). For investigation of the local proton energy distribution, magnetic spectrometers placed at different angles to the laser axis were used. A filter method was developed, which allows for the reconstruction of proton spectra with energies up to 100 MeV. It is shown that the optimal proton acceleration at PHELIX can be achieved by combining 300-400 µm CHO foam with a density of 2 mg/cm^3 and 10 µm Au foil at an intensity of the sub-ps pulse of ~ 10^19 W/cm^2 using optimized ns pulse. A TNSA-like regime with a maximum cut-off energy of 34±0.5 MeV was observed. In comparison to typical TNSA with a 10 µm Au foil as a target and the same laser intensity, a maximum cut-off energy of 24±0.5 MeV was registered. Furthermore, we observed a very weak decrease in the proton number depending on proton energy (unlike typical TNSA) and a very regular distribution of proton energy over a wide angle range, extending to high energies, which can be used to improve the quality of the proton radiography of plasma fields. In the direct laser acceleration process, betatron radiation arises due to oscillations of electrons in quasi-static electric and magnetic fields of the plasma. To investigate betatron radiation, a new modified magnetic spectrometer (X-MS) was constructed. This spectrometer allowed for the 1D resolution of multiple sources. Thanks to this capability, it was possible to separate and measure betatron radiation generated along the laser axis in NCD plasma and bremsstrahlung produced by ponderomotive electrons in the metal-holder. In the experiment using a CHO foam with a density of 2 mg/cm^3 and a thickness of ~ 800 µm as the target, betatron radiation from optimized DLA electrons was measured. In shots with a ns-pulse intensity of ~ 3·10^13 W/cm^2 and a sub-ps pulse intensity of ~ 10^19 W/cm^2, with a delay of 4±0,5 ns after the triangular ns pulse, the half angle (FWHM) of the electron beam was 17±2°. Under these conditions, the betatron radiation was directed, with a half angle (FWHM) of 11±2° for photons with energies above 10 keV. The number of photons with energy above 10 keV was estimated to be about 3·10^10 / 3·10^11 (directed photons / photons in the half-space along the laser beam direction). The maximum photon number per solid angle was ~ 2·10^11 photons/sr. The brilliance of the measured betatron radiation reached ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) at 10 keV. The use of a high-current beam of DLA electrons for the FLASH radiotherapy allows achieving a dose of up to 50-70 Gy during a sub-ps laser pulse. In 2021, during beam time P213 at PHELIX, the decrease in oxygen concentration in water and other biological media during irradiation with DLA electrons was studied in dependence on the dose. The radiation dose was indirectly measured in this case. For this purpose, a method was developed that allows determining the dose within the “water container” based on measurement points outside the container with a tested medium. A good agreement between the experiment and a Monte-Carlo simulation for water was demonstrated. The registered dose rate reached a record value of ~ 70 TGy/s.