Der am häufigsten verwendete und zuverlässigste Beschleunigungsmechanismus für lasererzeugte Ionen ist TNSA. Er wird bei den LIGHT-Experimenten als Ursprung des Ionenstrahls verwendet. Der TNSA-Mechanismus ist in der obigen Abbildung beschrieben. Ein ultraintensiver Laserpuls, der von links kommt, wird in das Vorplasma auf der Vorderseite des Targets fokussiert, das durch verstärkte spontane Emission des Lasersystems erzeugt wird (a). Der Hauptpuls wechselwirkt mit dem Plasma an der kritischen Oberfläche und beschleunigt heiße Elektronen in das Targetmaterial (b). Die Elektronen werden unter einem Divergenzwinkel durch das Target transportiert, verlassen es auf der Rückseite und bilden eine dichte Elektronenhülle. Das starke elektrische Feld in der Größenordnung von TV/m, das durch die Ladungstrennung erzeugt wird, ist in der Lage, Atome auf der Rückseite zu ionisieren (c). Sie werden über einige μm entlang der Targetsenkrechten beschleunigt. Nach Beendigung des Beschleunigungsvorgangs und der Zerrüttung des Targets (~ns) verlassen die Ionen das Target in einer quasi-neutralen Wolke zusammen mit den sich bewegenden Elektronen (d).

Die PHELIX-Laserparameter zur Betreibung der TNSA-Beschleunigung bei Z6 sind die folgenden:

λ = 1053 nm, E ≈ 15 J, τ = 500 fs,

Der Laserpuls wird mit einer beschichteten Glasparabel (Brennweite: 300 mm, voller Ablenkungswinkel: 22,5°) auf ein Target mit einer Fokuspunktgröße von 3,5 μm (FWHM) und einer Energie von 10-15 J fokussiert. Dies führt zu einer Intensität von mehr als 10¹⁹ W/cm².

Die TNSA-Quelle der LIGHT-Beamline zeigte ein exponentiell abklingendes Spektrum bis zu 28 MeV. Der Strahl enthält in Vorwärtsrichtung bis zu 10¹³ Protonen mit Energien über 4 MeV und einer großen, energieabhängigen Divergenz. Dies entspricht einer Umwandlungseffizienz von Laserenergie in Ionenstrahl-Energie von etwa ∼ 10 %.

Der nächste Schritt ist die Durchführung des geplanten Energieverlustexperiments mit einem Plasmatarget. Dieses Experiment wird ein Benchmarking der Theorien im Bereich des Stoppmaximums mit höherer Genauigkeit als bei früheren Energieverlustexperimenten an der GSI ermöglichen. Zukünftige Energieverlustexperimente sollten darauf abzielen, die Unsicherheiten bei der Messung der Ionenenergie zu verringern. Neben der Vergrößerung der Flugzeitdistanz werden zukünftige Experimente auch darauf abzielen, die Flugzeitdiagnostik zu optimieren. Das Hauptziel ist es, eine Plattform für die umfassende Untersuchung der Stoppleistung von Ionen in einem Plasma zu schaffen. Das bevorstehende Energieverlustexperiment wird das erste von vielen sein, das die Infrastruktur und die Plattform im Experimentierbereich Z6 der GSI nutzt. Die LIGHT-Beamline kann einen weiten Bereich von Parametern für Energieverlustexperimente abdecken, indem verschiedene Konfigurationen von unterschiedlichen Targets, Plasmaparametern und Ionenstrahlen verwendet werden. Diese Experimente zielen darauf ab, unser Verständnis des Energieverlusts in Plasmen zu verbessern und die Gültigkeit verschiedener Energieverlustmodelle in verschiedenen Regimen zu überprüfen. Mit der Zunahme der experimentellen Daten werden wahrscheinlich neue fortschrittliche theoretische Modelle, Ansätze und Korrekturen entstehen.

Die LIGHT-Beamline ist ein bemerkenswerter technologischer Fortschritt bei der Ionenbeschleunigung und Strahlmanipulation. Zukünftige Entwicklungen könnten sich auf die Verbesserung der Strahlqualität, die Erhöhung der Ionenenergien und die Verkürzung der Bündeldauer konzentrieren. Die Aufrüstung des PHELIX-Lasers an der Z6-Versuchsanlage wird den Parameterraum der mit der LIGHT-Beamline erzeugten Ionenstrahlen erweitern. Eine höhere Repetitionsrate würde die LIGHT-Beamline verbessern und ihre Nützlichkeit für die meisten Anwendungen erhöhen. Dies wird nicht nur Studien zum Energiverlust zugutekommen, sondern auch den Einsatz lasergetriebener Ionenquellen in der medizinischen Physik, den Materialwissenschaften und der Strahlentherapie erweitern. Eine aktuelle Untersuchung betrifft die Erzeugung eines Ionenstrahls mit der LIGHT-Beamline, der in das Schwerionen-Synchrotron SIS18 der GSI injiziert wird. Die Injektion eines lasergenerierten Ionenstrahls in ein Synchrotron wäre ein bedeutender Fortschritt für die Community der Laser-Plasma-Beschleuniger. Vorrangiges Ziel ist es, die Machbarkeit dieses Konzepts zu demonstrieren, das erhebliche Auswirkungen auf die Auslegung künftiger Beschleunigeranlagen haben könnte. Das Konzept hat das Potenzial, die Kosten und die Größe künftiger Injektoren zu verringern. Speziell für die GSI würden sich einige unmittelbare Vorteile ergeben, darunter die Möglichkeit, ein breiteres Spektrum von Ionensorten zu injizieren, und die Bereitstellung eines zusätzlichen Injektors für Notfälle. Darüber hinaus könnte das Konzept zu einer Verringerung der Injektionszeit, der Emittanz und der Bündellänge sowie zu einer Verringerung der Kosten und der Größe der Injektoren in der Zukunft führen. Um die Realisierbarkeit lasergetriebener Ionenquellen für Synchrotrons zu demonstrieren, muss gezeigt werden, dass Ionen auf eine Art und Weise injiziert werden können, die für den Betrieb des Synchrotrons praktikabel ist. Um dies zu erreichen, werden wir eine Demonstration der Single-Shot-Injektion von Protonen in das SIS18 präsentieren. Außerdem werden wir zeigen, wie eine Laserprotonenquelle mit hoher Wiederholrate in Zusammenarbeit mit der ELI Beamlines-Anlage betrieben werden kann. Diese Einrichtung verfügt bereits über einen Laser, nämlich die L3-Beamline, der in der Lage ist, die erforderlichen Protonenstrahlen mit einer Wiederholrate von 1 Hz zu erzeugen. Die Kombination dieser beiden Elemente wird letztendlich die Realisierbarkeit von laserbasierten Injektoren für Beschleuniger beweisen.