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@PHDTHESIS{Gyrdymov:354601,
      author       = {Gyrdymov, Mikhail},
      title        = {{E}ffektive {B}eschleunigung von {E}lektronen und
                      {P}rotonen sowie {E}rzeugung hochintensiver
                      {B}etatronstrahlung bei der {W}echselwirkung von sub-ps
                      relativistischen {L}aserpulsen mit {S}chäumen},
      school       = {Johann Wolfgang Goethe-Universitä},
      type         = {Dissertation},
      address      = {Johann Wolfgang Goethe-Universität},
      publisher    = {Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg},
      reportid     = {GSI-2024-01091},
      pages        = {207 p.},
      year         = {2024},
      note         = {Dissertation, Johann Wolfgang Goethe-Universitä, 2024},
      abstract     = {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.},
      cin          = {PPH},
      cid          = {I:(DE-Ds200)PPH-20051214OR027},
      pnm          = {631 - Matter – Dynamics, Mechanisms and Control
                      (POF4-631)},
      pid          = {G:(DE-HGF)POF4-631},
      experiment   = {EXP:(DE-Ds200)P-21-00005-20221208 /
                      EXP:(DE-Ds200)P-22-00048-20221208 /
                      EXP:(DE-Ds200)P207-20200803 / EXP:(DE-Ds200)P213-20200803 /
                      EXP:(DE-Ds200)P176-20200803},
      typ          = {PUB:(DE-HGF)11},
      urn          = {urn:nbn:de:hebis:30:3-855733},
      url          = {https://repository.gsi.de/record/354601},
}