A transportable Paul-trap for levitation and accurate positioning of micron-scale particles in vacuum for laser-plasma experiments

Ostermayr, Tobias; Gebhard, J. W.; Haffa, Daniel; Kiefer, Daniel; Kreuzer, Christian; Allinger, K.; Bömer, Christina; Braenzel, J.; Schnürer, M.; Cermak, I.; Schreiber, Jörg; Hilz, P.

doi:10.1063/1.4995955

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“…Still, the presented measurements and calculations serve to characterize particle and trap properties sufficiently well for our purpose. Thereby, a reliable, controlled, and stable trapping procedure was established as a basis for the trajectory damping and, ultimately, for laser-plasma experiments [164].…”

Section: Selected Measurements Of Relevant Single Particle Parametersmentioning

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“…Test setup for the Paul trap. The minimum Paul-trap test-setup comprises a vacuum chamber, the trap and connected power supplies, an ion gun to charge the target particles, a laser to illuminate target particles, and the optical measurement and feedback setup.Figure andcaption reproduced with permission from[164]. each other in precision-manufactured ceramics seats, which also isolate them electronically from each other.…”

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“…Metrology of the particle secular motion. Example of a trajectory measurement in the time-domain (inset) for the vertical PSD signal, and corresponding power-spectral density (frequency measurement) via Fourier transformation of the time-domain signal.Figure andcaption reproduced with permission from[164].…”

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“…These measurements reveal the comparably small variation of secular frequencies and charge-to-mass ratios, demonstrating the overall stability of the charging mechanism. Figure and caption reproduced with permission from[164].sistently turned unstable and left the trap, for frequencies of 675 Hz > Ω/2π > 650 Hz, corresponding to q ∼ = 0.908.…”

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confidence: 99%

“…The convoluted hit probability of a 5 µm FWHM laser-focus would be 94.5%. In particular, positioning is more accurate than typical laser-pointing jitters.Figure andcaption reproduced with permission from[164].…”

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Relativistically Intense Laser–Microplasma Interactions

Ostermayr

2019

Springer Theses

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Diese Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Interaktion von relativistisch intensiven Laserpulsen mit Mikroplasmen. Dafür wurde zunächst eine Paul-Falle entwickelt, welche vollständig isolierte und definierte Mikrokugeln als Ziel für Experimente mit fokussierten Peta-Watt Laser-Pulsen bereitstellt. Solche Interaktionen wurden dann in der Theorie, in numerischen Simulationen und in einer Serie von Experimenten untersucht. Die erste wichtige Beobachtung hierbei war die Erzeugung manipulierbarer Protonenstrahlen mit kinetischen Energienüber 10 MeV. Die Modifikation in den spektralen und räumlichen Verteilungen erfolgte durch die Variation des Beschleunigungsmechanismus. Dies beinhaltet das Auftreten von Protonenstrahlen mit begrenzter spektraler Bandbreite, welcheähnliche Lasergetriebene Quellen in kinetischer Energie und/oder Teilchenfluenzübertreffen. Die relative Bandbreite von 20-25% wird durch die (isotrope) Coulomb Explosion oder durch gerichtete Beschleunigungsprozesse erreicht (Abb. 1a, sec. 5.3 und 5.4). Im zweiten Teil der Ar-Abbildung 1 | Zentrale Ergebnisse. a. Ionenquellen mit limitierter spektraler Bandbreite in dieser Arbeit (rot) im Kontext früherer Experimente mit Laser-Ionen-Beschleunigern (Quellen: [1-10]). Markiert ist je das spektrale Maximum, Fehlerbalken markieren die spektrale Breite (volle Breite bei halbem Maximalwert). b. Beispiel eines bimodalen Röntgen-und Protonenbildes (übereinander registriert). Der Skalenbalken entspricht 1 cm. Intensitäten sind in relativen Skalen angegeben und das Protonenbild wird zu 40% transparent dargestellt. beit wurden Mikronadeln mit Peta-Watt Laser-Pulsen beschossen um Röntgen-und Protonenstrahlen mit jeweils nur einigen Mikrometern effektiver Quellgröße zu erzeugen. Im Röntgenspektrum wurde ein Maximum um 6 keV und messbares Signal bisüber 10 keV beobachtet. Das Protonenspektrum zeigte erneut die quasi-monoenergetische Verteilung mit Peak-Energienüber 10 MeV (Abb. 1a, sec. 6.1). Nach der Charakterisierung der Quelle wurde diese für Bildgebung genutzt. Dabei konnte insbesondere die gleichzeitige Aufnahme von Röntgen-und Protonenbildern mit einem einzelnen Laserschuß gezeigt werden (Abb. 1b). Die Besonderheiten der Quelle erlaubten zudem Röntgenaufnahmen mit starkem Phasen-Kontrast Anteil, sowie die Untersuchung von quantitativen Einzelschuß Protonen-Radiographien.

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