Studio teorico e modellizzazione numerica degli effetti di preplasma in regime di accelerazione di ioni tramite laser

Argomento di questo lavoro di tesi è l’accelerazione di ioni tramite interazione laser-plasma. Nel particolare, uno studio teorico sui principali meccanismi di accelerazione e una campagna di simulazioni numeriche volte ad analizzare gli effetti sullo spettro energetico dei protoni accelerati dovuti al preplasma sono stati svolti. Quando laser ad impulsi brevi, ad alta intensità e a contrasto finito, interagiscono con un campione solido è presente un preimpulso che causa la formazione di una regione di preplasma antistante il bersaglio che può rendere più efficace l’accelerazione dei protoni. Vengono dunque introdotti nel primo capitolo i concetti e le tecniche base per studiare a livello teorico e numericamente le interazioni laser-plasma. Nel secondo capitolo sono trattati analiticamente alcuni meccanismi di accelerazione di ioni. Nel terzo ed ultimo capitolo vengono descritti gli effetti di preplasma ed esposti risultati di simulazioni PIC volte a trovare i parametri ottimali per ottenere ioni più energetici.

Physical characterization of laser interaction and shock generation in laser processing: coupled theoretical-experimental analysis

Outline: • Introduction • Fundamental Physics of the Laser-Plasma Interaction in Laser Shock Processing • Theoretical/Computational Model Description • Some Results. Analysis of Interaction Parameters • Experimental Validation. Diagnosis Setup • Discussion and Outlook

Intra-pulse transition between ion acceleration mechanisms in intense laser-foil interactions

Multiple ion acceleration mechanisms can occur when an ultrathin foil is irradiated with an intense laser pulse, with the dominant mechanism changing over the course of the interaction. Measurement of the spatial-intensity distribution of the beam of energetic protons is used to investigate the transition from radiation pressure acceleration to transparency-driven processes. It is shown numerically that radiation pressure drives an increased expansion of the target ions within the spatial extent of the laser focal spot, which induces a radial deflection of relatively low energy sheath-accelerated protons to form an annular distribution. Through variation of the target foil thickness, the opening angle of the ring is shown to be correlated to the point in time transparency occurs during the interaction and is maximized when it occurs at the peak of the laser intensity profile. Corresponding experimental measurements of the ring size variation with target thickness exhibit the same trends and provide insight into the intra-pulse laser-plasma evolution.

Laser-Driven Ion Accelerators: State of the Art and Applications

Laser-plasma based accelerators of protons and heavier ions are a source of potential interest for several applications, including in the biomedical area. While the potential future use in cancer hadrontherapy acts as a strong aspirational motivation for this research field, radiobiology employing laser-driven ion bursts is alreadyan active field of research. Here we give a summary of the state of the art in laser driven ion acceleration, of the main challenges currently faced by the research inthis field and of some of the current and future strategies for overcoming them.

Mangaaniseosteisen duplex-teräksen hitsattavuus

Diplomityön tavoitteena oli selvittää mangaaniseosteisen LDX2101 duplex-teräksen ja LDX2101 hitsauslisäaineiden hitsausparametrit puikkohitsaus-, MAG-täytelankahitsaus- ja plasmahitsausprosessilla. Toisena tavoitteena oli selvittää lämmöntuonnin vaikutuksia hit-sausliitosten mekaanisiin ominaisuuksiin, iskusitkeyteen (-40 °C) ja ferriitti- / austeniittipitoi-suuksien jakaantumiseen. Tutkittavat hitsit olivat päittäishitsejä ja koelevyjen aineenpaksuus oli 6 mm. Koetulosten perusteella tehtiin hitsausohjeet kyseisille hitsausprosesseille. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty yleisesti duplex-terästen käyttökohteita, mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia sekä duplex-terästen korroosio-ominaisuuksia. Lisäksi on käsitelty eri hitsausprosesseja ja duplex-terästen hitsattavuutta, jossa selvitetään mm. terästen jähmet-tymistä, erkaumia ja faaseja, lämmöntuonnin vaikutuksia ja hitsausliitosten korroosionkestä-vyyttä. Teoriaosassa on kerrottu myös hitsausliitosten tarkastuksesta ja hitsiluokista. Työn kokeellisessa osassa esitellään kokeiden suoritus sekä ainetta rikkova ja ainetta rikko-maton tarkastus. Liitoksille suoritettava koestusohjelma noudatti pääosin menetelmäkoestan-dardin SFS-EN 15614-1 ohjetta. Hitseille tehtiin ainetta rikkomaton tarkastus, joka käsittää silmämääräisen tarkastuksen, pintatarkastuksen ja röntgentarkastuksen. Rikkovaa aineen-koetusta tehtiin sisältäen kovuusmittaukset, vetokokeet, taivutuskokeet jaiskusitkeyskokeet. Lisäksi valmistettiin metallografiset hieet, joita tutkimalla selvitettiin hitsausliitoksen metal-lurgiaa ja määriteltiin ferriitti- ja austeniittipitoisuudet. Kokeiden perusteella on laadittu hit-sausohjeet kullekin hitsausprosessille. Lisäksi kokeellisessa osassa on esitelty tulokset syö-pymäkokeesta, jossa selvitettiin eri materiaalien syöpymiskestävyyttä valkolipeäliuoksessa. Tutkimustuloksien perusteella LDX2102 duplex-materiaali onhyvin hitsattavaa laajalla hit-sausparametrialueella. Mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus- ja iskusitkeysarvot täyttävät materiaalistandardin SFS-EN10028-7 niille asettamat vaatimukset. Taivutussitkeys ja murto-venymät jäivät kuitenkin osalla koekappaleista vaatimustasoa alhaisemmiksi. Austeniitti- ja ferriittipitoisuudet vastaavat materiaalistandardin vaatimuksia.

Hitsatun kerrossihtilevyrakenteen soveltuvuus sellutehtaan laitteiden suodatinpinnaksi

Tässä diplomityössä tutkittiin hitsaamalla valmistettavan kerrossihtilevyn soveltuvuutta eri sellutehtaan laitteisiin mekaanisen kuormituskokeen, korroosiokokeen ja syrjäytyskokeiden avulla. Tutkimusympäristönä käytettiin puukuitupesuria, sillä kerrossihtilevyrakenteen todennäköisimpiä käyttökohteita ovat erilaiset massan pesuun tarkoitetut laitteet. Mekaanisen kuormituksen kokeessa tarkasteltiin kerrossihtilevyn staattista ja dynaamista kuormituksen kestoa painevaihteluiden avulla pesurin koelokerossa ja verrattiin sitä porattuun reikälevyyn. Kokeessa käytetyn kerrossihtilevyversion todettiin olevan huomattavasti porattua saman paksuista reikälevyä heikompi dynaamisen kuormituksen alaisena. Syrjäytyskokeilla määritettiin syrjäytysnopeus erilaisilla reiänhalkaisijoilla ja –jaoilla sekä tutkittiin väriaineen avulla sokeiden tukikannasten vaikutusta syrjäytyspesun homogeenisuuteen levyn pinnassa. Syrjäytysnopeuden todettiin heikentyvän vapaan reikäpinta-alan pienentyessä. Väriaineellisissa kokeissa ei havaittu tukikannasten merkittävästi alentavan syrjäytysnopeutta. Korroosiokokeilla tutkittiin ja vertailtiin laser- ja vastuspistehitsien korroosionkestokykyä kloridipitoisissa olosuhteissa lämpötilan säätelyn mahdollistavan olosuhdekaapin avulla. Laserhitsauksessa parametrien ei havaittu vaikuttavan merkittävästi hitsin herkistymislämpötilaan. Vastuspistehitsaamalla on mahdollista saavuttaa laserhitsien korroosionkesto.

Laserhitsausparametrien vaikutus ruostumattomien terästen hitsin mikrorakenteeseen

Työn teoriaosassa käsitellään ruostumattomia teräksiä ja terästen metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä yleisesti, sekä terästen hitsattavuutta. Hitsauksesta teoriassa käydään läpi laser- ja kaasukaarihitsausta ja hitsin metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä. Kokeellisessa osassa paneudutaan kahdeksan eri ruostumattoman teräksen hitsien metallurgiaan ja metallurgiassa tapahtuviin muutoksiin hitsausparametrien mukaan. Koemateriaaleina on neljä austeniittista ruostumatonta terästä, 201, 301LN, 316L ja 254 SMO, kaksi austeniittis-ferriittistä ruostumatonta terästä, 2101 LDX ja 2205, sekä kaksi ferriittistä ruostumatonta terästä, 430 ja 1.4003. Hitsien mikrorakenteen tutkimisessa käytettiin sekä valomikroskooppia sekä joissain tapauksissa pyyhkäisyelektronimikroskooppia. Lisäksi työn kokeellisessa osassa paneuduttiin hitsien metallografisiin syövytystekniikoihin. Kokeiden perusteella voidaan sanoa, että hitsin metallurgia riippuu hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä ja hitsausparametreilla voidaan vaikuttaa tämän lämpösyklin muotoon. Austeniittis-ferriittisillä teräksillä hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä riippuu pitkälti hitsin austeniitti-ferriitti-suhde. Ferriittisillä teräksillä lämpösyklin muoto vaikuttaa hitsiin muodostuvan martensiitin kovuuteen ja määrään sekä rakenteen hienojakoisuuteen. Austeniittisilla teräksillä lämpösyklinmuodon vaikutus riippuu pitkälti teräksen seostusasteesta ja seosaineista. Austeniittisilla teräksillä kokeissa havaittuja muutoksia, parametrien muutosten mukaan oli muun muassa suotautumisen voimakkuuden

Weldability of powder bed fusion fabricated stainless steel 316L sheets to cold rolled sheet metal

Weldability of powder bed fusion (PBF) fabricated components has come to discussion in past two years due to resent developments in the PBF technology and limited size of the machines used in the fabrication process. This study concentrated on effects of energy input of welding on mechanical properties and microstructural features of welds between PBF fabricated stainless steel 316L sheets and cold rolled sheet metal of same composition by the means of destructive testing and microscopic analysis. Optical fiber diameter, laser power and welding speed were varied during the experiments that were executed following one variable at a time (OVAT) method. One of the problems of welded PBF fabricated components has been lower elongations at break comparing to conventionally manufactured components. Decreasing energy input of the laser keyhole welding decreased elongations at break of the welded specimens. Ultimate tensile strengths were not affected significantly by the energy input of the welding, but fracturing of the specimens welded using high energy input occurred from the weld metal. Fracturing of the lower energy input welds occurred from the PBF fabricated base metal. Energy input was found to be critical factor for mechanical properties of the welds. Multioriented grain growth and formation of neck at fusion zone boundary on the cold rolled side of the weld was detected and suspected to be result from weld pool flows caused by differences in molten weld pool behaviour between the PBF fabricated and cold rolled sides of the welds.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Caracterização de juntas soldadas em PAW e GTAW de chapas finas em aço maraging 300 submetidas a vários reparos

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Moto di particelle cariche in campi elettromagnetici intensi

E stata risolta l'equazione d'onda per la radiazione elettromagnetica ed è stata trovata l'espressione (in forma di integrale) per un impulso monocromatico di frequenza angolare fissata e per un impulso di durata finita, imponendo che nello spazione dei vettori d'onda (k_x,k_y) l'impulso sia rappresentato da una funzione Gaussiana nella forma exp[-w_0^2(k_x^2+k_y^2)/4], dove w_0 rappresenta il waist trasverso. Per avere un'espressione analitica dell'impulso monocromatico e dell'impulso di durata finita si sono rese necessarie rispettivamente l'approssimazione parassiale e un'approssimazione di "fattorizzazione". Sono state analizzate, sia analiticamente sia numericamente, i limiti entro i quali queste approssimazioni possono essere considerate accurate. Le soluzioni esatte e le soluzioni approssimate sono state confrontate graficamente. Nel capitolo finale è stato analizzato il moto di una particella carica che interagisce con un pacchetto d'onda unidimensionale, mettendo in luce la fondamentale differenza tra il moto di questa particella nel vuoto e il moto della stessa in un plasma carico. Infatti, in accordo con il teorema di Lawson-Woodward, nel vuoto la particella non può essere accelerata per interazione diretta con il pacchetto d'onda, mentre nel plasma, a seguito del passaggio del pacchetto, la particella può aver acquistato energia.

Entwicklung kohärenter Lichtquellen im XUV-Regime

Plasmabasierte Röntgenlaser sind aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und schma-rnlen spektralen Bandbreite attraktive Diagnose-Instrumente in einer Vielzahl potentieller Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Mikroskopie und EUV-Lithografie. Dennoch sind Röntgenlaser zum heutigen Stand noch nicht sehr weit verbreitet, was vorwiegend auf eine zu geringe Pulsenergie und für manche Anwendungen nicht hinreichende Strahlqualität zurückzuführen ist. In diesem Zusammenhang wurden in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt. Die gleichzeitige Weiterentwicklung von Pumplasersystemen und Pumpmechanismen ermöglichte es, kompakte Röntgenlaserquellen mit bis zu 100 Hz zu betreiben. Um gleichzeitig höhere Pulsenergien, höhere Strahlqualität und volle räumliche Kohärenz zu erhalten, wurden intensive Studien theoretischer und experimenteller Natur durchgeführt. In diesem Kontext wurde in der vorliegenden Arbeit ein experimenteller Aufbau zur Kombination von zwei Röntgenlaser-Targets entwickelt, die sogenannte Butterfly-Konfiguration. Der erste Röntgenlaser wird dabei als sogenannter Seed für das zweite, als Verstärker dienende Röntgenlasermedium verwendet (injection-seeding). Aufrndiese Weise werden störende Effekte vermieden, welche beim Entstehungsprozessrndes Röntgenlasers durch die Verstärkung von spontaner Emission zustande kom-rnmen. Unter Verwendung des ebenfalls an der GSI entwickelten Double-Pulse Gra-rnzing Incidence Pumpschemas ermöglicht das hier vorgestellte Konzept, erstmaligrnbeide Röntgenlasertargets effizient und inklusive Wanderwellenanregung zu pum-rnpen.rnBei einer ersten experimentellen Umsetzung gelang die Erzeugung verstärkter Silber-Röntgenlaserpulse von 1 µJ bei 13.9 nm Wellenlänge. Anhand der gewonnenen Daten erfolgte neben dem Nachweis der Verstärkung die Bestimmung der Lebensdauer der Besetzungsinversion zu 3 ps. In einem Nachfolgeexperiment wurden die Eigenschaften eines Molybdän-Röntgenlaserplasmas näher untersucht. Neben dem bisher an der GSI angewandten Pumpschema kam in dieser Strahlzeit noch eine weitere Technik zum Einsatz, welche auf einem zusätzlichen Pumppuls basierte. In beiden Schemata gelang neben dem Nachweis der Verstärkung die zeitliche und räumliche Charakterisierung des Verstärkermediums. Röntgenlaserpulse mit bis zu 240 nJ bei einer Wellenlänge von 18.9 nm wurden nachgewiesen. Die erreichte Brillanz der verstärkten Pulse lag ca. zwei Größenordnungen über der des ursprünglichen Seeds und mehr als eine Größenordnung über der Brillanz eines Röntgenlasers, dessen Erzeugung auf der Verwendung eines einzelnen Targets basierte. Das in dieser Arbeitrnentwickelte und experimentell verifizierte Konzept birgt somit das Potential, extrem brillante plasmabasierte Röntgenlaser mit vollständiger räumlicher und zeitlicher Kohärenz zu erzeugen.rnDie in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse sind ein wesentlicher Beitrag zu der Entwicklung eines Röntgenlasers, der bei spektroskopischen Untersuchungen von hochgeladenen Schwerionen eingesetzt werden soll. Diese Experimente sind amrnExperimentierspeicherring der GSI und zukünftig auch am High-Energy StoragernRing der FAIR-Anlage vorgesehen.rn

Hydrodynamic stability theory of double ablation front structures in inertial confinement fusion.

The aim of inertial confinement fusion is the production of energy by the fusion of thermonuclear fuel (deuterium-tritium) enclosed in a spherical target due to its implosion. In the direct-drive approach, the energy needed to spark fusion reactions is delivered by the irradiation of laser beams that leads to the ablation of the outer shell of the target (the so-called ablator). As a reaction to this ablation process, the target is accelerated inwards, and, provided that this implosion is sufficiently strong a symmetric, the requirements of temperature and pressure in the center of the target are achieved leading to the ignition of the target (fusion). One of the obstacles capable to prevent appropriate target implosions takes place in the ablation region where any perturbation can grow even causing the ablator shell break, due to the ablative Rayleigh-Taylor instability. The ablative Rayleigh-Taylor instability has been extensively studied throughout the last 40 years in the case where the density/temperature profiles in the ablation region present a single front (the ablation front). Single ablation fronts appear when the ablator material has a low atomic number (deuterium/tritium ice, plastic). In this case, the main mechanism of energy transport from the laser energy absorption region (low density plasma) to the ablation region is the electron thermal conduction. However, recently, the use of materials with a moderate atomic number (silica, doped plastic) as ablators, with the aim of reducing the target pre-heating caused by suprathermal electrons generated by the laser-plasma interaction, has demonstrated an ablation region composed of two ablation fronts. This fact appears due to increasing importance of radiative effects in the energy transport. The linear theory describing the Rayleigh-Taylor instability for single ablation fronts cannot be applied for the stability analysis of double ablation front structures. Therefore, the aim of this thesis is to develop, for the first time, a linear stability theory for this type of hydrodynamic structures.

Nearly spherical constant power detonation waves driven by focused radiation /

"Prepared by Cornell University ... for Lewis Research Center."

Noncollinear Polarization Gating of Attosecond Pulse Trains in the Relativistic Regime

High order harmonics generated at relativistic intensities have long been recognized as a route to the most powerful extreme ultraviolet pulses. Reliably generating isolated attosecond pulses requires gating to only a single dominant optical cycle, but techniques developed for lower power lasers have not been readily transferable. We present a novel method to temporally gate attosecond pulse trains by combining noncollinear and polarization gating. This scheme uses a split beam configuration which allows pulse gating to be implemented at the high beam fluence typical of multi-TW to PW class laser systems. Scalings for the gate width demonstrate that isolated attosecond pulses are possible even for modest pulse durations achievable for existing and planned future ultrashort high-power laser systems. Experimental results demonstrating the spectral effects of temporal gating on harmonic spectra generated by a relativistic laser plasma interaction are shown.