DE10015415C2

DE10015415C2 - Method and device for generating high-energy ion beams and / or short-wave electromagnetic radiation

Info

Publication number: DE10015415C2
Application number: DE2000115415
Authority: DE
Inventors: Dietmar Vogel; Nadeshda Vogel; Bernd Kaempfe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: DE10015415A1

Description

Technical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung gerichteter hochenergetischer Ionenstrahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung. Die hochenergetischen Ionenstrahlen können in der Grundlagenforschung, insbe sondere der Hochenergiephysik, beispielsweise zur Un tersuchung grundlegender physikalischer Zustände der Materie oder zur Erzeugung bisher nicht erreichter Grenzzustände eingesetzt werden. Weiterhin lassen sich mit derartigen Ionenstrahlen physikalische Zustände der Materie in Form von Plasmen erzeugen, in denen bei spielsweise gesteuerte nukleare Fusionen zur Energiege winnung ablaufen können.The present invention relates to a method and a device for generating directed high-energy ion beams and / or short-wave electromagnetic radiation. The high-energy Ion beams can be used in basic research, especially special of high energy physics, for example at Un investigation of basic physical states of the Matter or for the generation so far not reached Limit states are used. Furthermore, with such ion beams physical states of the Generate matter in the form of plasmas in which for example controlled nuclear mergers for energy generation can run out.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der mit dem Verfah ren bzw. der Vorrichtung erzielbaren Ionenstrahlen bzw. Ionenströme ist die strukturelle Bearbeitung von Objek ten unter Ausnutzung der kurzzeitig verfügbaren höch sten Energiedichten auf kleinem Raum. Aufgrund der pulsförmigen Erzeugung der Ionenstrahlung bzw. der elektromagnetischen Strahlung lassen sich damit ultra schnelle Prozesse in Physik, Chemie und Biologie unter suchen. Die kurzwellige kohärente Strahlung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erzeugt wird, kann als Sonde oder Werkzeug bei der Wechselwirkung mit Materie eingesetzt werden. Another area of application with the process Ren or the device achievable ion beams or Ion currents is the structural processing of objects taking advantage of the temporarily available maximum most energy densities in a small space. Due to the pulse-shaped generation of ion radiation or electromagnetic radiation can be ultra rapid processes in physics, chemistry and biology under search. The short-wave coherent radiation with the inventive method and the associated Device generated can be used as a probe or tool be used in the interaction with matter.

Insbesondere lassen sich mit dieser kohärenten kurzwel ligen Strahlung nichtlineare optische Prozesse hervor rufen oder untersuchen.In particular, this coherent short radiation nonlinear optical processes call or examine.

State of the art

Für die Erzeugung hochenergetischer Ionenstrahlen bzw. Ionenströme sind derzeit nur Verfahren bekannt, die den Einsatz technischer Großanlagen erfordern. Der artige Großanlagen bestehen aus einer Ionenquelle zur Erzeugung der Ionen und einem Ionenbeschleuniger zur Beschleunigung und Führung der in der Ionenquelle er zeugten Ionen.For the generation of high-energy ion beams only current processes are known, that require the use of large technical systems. the like large plants consist of an ion source Generation of the ions and an ion accelerator for Acceleration and guidance of the ion source created ions.

Als Ionenquellen werden hierbei in der Regel Elec tron-Beam-Ion Sources (EBIS) und Electron-Beam-Ion- Trap-Quellen (EBIT) bzw. Laserionenquellen verwendet. Beispiele für derartige Ionenquellen können den Arti keln von T. A. Antaya et al., Rev. Sci. Instrument, 65, 1723 (1994) oder G. Ciavola et al., Rev. Sci. Instru ment, 65, 1057 (1994) entnommen werden. Zu den EBIS- Quellen gehören die Penning-Ion-Source und die Elec tron-Cyclotron-Resonance-Ion-Source.As ion sources, Elec tron beam ion sources (EBIS) and electron beam ion Trap sources (EBIT) or laser ion sources used. Examples of such ion sources can Arti by T. A. Antaya et al., Rev. Sci. Instrument, 65, 1723 (1994) or G. Ciavola et al., Rev. Sci. instru ment, 65, 1057 (1994). To the EBIS Sources include the Penning Ion Source and the Elec tron Cyclotron Resonance ion source.

In B. Wolf (Ed.), Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton 1995, p. 149-155, ist eine Ionenquel le beschrieben, bei der die Ionen mittels lasergestütz ter Plasmaerzeugung bereitgestellt werden. Das erfor derliche Plasma wird durch Fokussierung eines intensi ven Laserpulses auf ein Target erzeugt. Die mit dieser Technik erzeugten Ionen weisen jedoch keine ausreichend hohen Energien auf, um in der Hochenegiephysik direkt als Ionenstrahlen eingesetzt werden zu können. In B. Wolf (Ed.), Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton 1995, p. 149-155, is an ion source le described in which the ions are laser-assisted ter plasma generation are provided. The requ The plasma is increased by focusing an intensi ven laser pulse generated on a target. The one with this However, technology-generated ions do not have sufficient high energies to direct in high energy physics to be used as ion beams.

Für die Beschleunigung der Ionen werden lineare Beschleuniger, wie der Wideroe-type RF Linac, Zyklotro ne oder Synchrotrone eingesetzt. Tabelle 1 gibt Bei spiele für erreichbare Ionenenergien und die erreichba re Teilchenanzahl an, wie sie mit bekannten derartigen Systemen realisiert werden.For the acceleration of the ions are linear Accelerators such as the Wideroe-type RF Linac, Zyklotro ne or synchrotron used. Table 1 gives games for achievable ion energies and the achievable re number of particles, as with known such Systems can be realized.

Tabelle 1 Table 1

Ein Nachteil dieser Systeme ist jedoch der große technische, finanzielle und räumliche Aufwand, der für die Erzeugung hochenergetischer gerichteter Ionenstrah len erforderlich ist. So lassen sich bisher gerichtete Ionenstrahlen hoher Leistungsdichte im Hochenergiebe reich nur in derartigen Großanlagen erzeugen. Zur Nut zung dieser Ionenstrahlen ist es dann erforderlich, die jeweiligen Anwendungen am Ort dieser Großanlagen durch zuführen. However, one disadvantage of these systems is the big one technical, financial and spatial effort required for the generation of high-energy directed ion beams len is required. So can be directed up to now Ion beams of high power density in high energy Generate rich only in such large plants. To the groove tion of these ion beams it is then necessary to respective applications at the location of these large systems respectively.

V. Sebastian et al., Laser preparation of bunched ion beams, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B126 (1997), p. 73-75, beschreibt ein Verfahren zur Erzeu gung gepulster Ionenstrahlung. Bei diesem Verfahren wird ein gepulster Protonenstrahl auf ein Target ge richtet und nachfolgend bzw. gleichzeitig eine resonan te Laserionisation durch Einstrahlung von ersten Laser pulsen durchgeführt. Bei diesem Verfahren erfolgt durch eine besondere Ausgestaltung der Ionenquelle eine ther mische Adsorption von Atomen an einem weiteren Targete lement, von dem die adsorbierten Atome mit einem zwei ten Laserpuls mit geringerer Wiederholungsrate als dem für die resonante Laserionisation eingesetzten ersten Laserpuls abgelöst werden, um dadurch eine gepulste Struktur der Ionenstahlung zu erzeugen. Für die Erzeu gung hochenergetischer Ionenstrahlen ist jedoch auch hier ein zusätzlicher Beschleuniger erforderlich.V. Sebastian et al., Laser preparation of bunched ion beams, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B126 (1997), p. 73-75, describes a process for generating pulsed ion radiation. With this procedure a pulsed proton beam is ge on a target judges and subsequently or simultaneously a resonan Laser ionization by irradiation of the first laser pulse performed. This procedure is done through a special design of the ion source ther Mix adsorption of atoms on another target element, of which the adsorbed atoms with a two th laser pulse with a lower repetition rate than that first used for resonant laser ionization Laser pulses are detached to create a pulsed To produce the structure of the ionic radiation. For the producers However, there is also a high-energy ion beam an additional accelerator is required here.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ei ne Vorrichtung zur Erzeugung gerichteter hochenergeti scher Ionenstrahlen anzugeben, die bezüglich der er zielbaren Energiestromdichten und Teilchendichten die Werte der bekannten Großanlagen erreichen oder über steigen, jedoch einfacher und kostengünstiger reali sierbar sind. Based on this state of the art Invention based on the object, a method and egg ne device for generating directed high-energy shear ion beams, which refer to the he targetable energy current densities and particle densities Reach or exceed values of the known large-scale plants increase, but easier and cheaper reali are sizable.

Presentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren bzw. der Vor richtung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 10 gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vor richtung sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is done with the procedure or the pre Direction according to claims 1 and 10 solved. before partial configurations of the procedure and the pre direction are the subject of the subclaims.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein hochen ergetischer kurzer Laserpuls, im Folgenden als Haupt puls bzw. Laserhauptpuls bezeichnet, erzeugt und auf einen Brennpunkt in ein Dielektrikum fokussiert, der sich in einem geringen Abstand vor einem Target befin det. Das Target wird vorzugsweise durch einen elek trisch leitfähigen Festkörper gebildet. Unmittelbar vor dem Eintreffen des kurzen Laserhauptpulses im Brenn punkt wird im Dielektrikum eine vorzugsweise räumlich annähernd auf den Bereich des Brennpunktes begrenzte Vorionisation erzeugt.In the method according to the invention, a high erotic short laser pulse, hereinafter referred to as main pulse or laser main pulse referred to, generated and on focuses a focal point in a dielectric that is a short distance from a target det. The target is preferably by an elec trically conductive solid. Just before the arrival of the short laser main pulse in the focal point The point in the dielectric is preferably spatial limited to the area of focus Preionization generated.

Ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Verfah rens besteht darin, dass vor dem Eintreffen des Haupt pulses im Brennpunktbereich ein oder mehrere Stoßwellen im Dielektrikum erzeugt werden, die sich dem Hauptpuls entgegen bewegen. Diese Stoßwellen werden - wie auch die Vorionisation - durch ein oder mehrere auf den Brennpunkt fokussierte und dem Hauppuls voranlaufende Laserpulse, im Folgenden als Prepulse bezeichnet, her vorgerufen, die auf das Target aufgetroffen sind. Der Abstand zwischen dem Brennpunkt und dem Target muß da bei so eingestellt werden, dass eine der sich vom Tar get ausbreitenden Stoßwellenfronten den Brennpunkt etwa gleichzeitig mit dem Hauptpuls er reicht.An essential feature of the present procedure rens is that before the arrival of the main pulses in the focus area one or more shock waves generated in the dielectric, which is the main pulse move against. These shock waves are - as well preionization - by one or more on the Focus and focused ahead of Hauppuls Laser pulses, hereinafter referred to as prepulses called that hit the target. The The distance between the focal point and the target must be there at are set so that one of the tar get propagating shock wave fronts Focus around the same time as the main pulse enough.

Erst durch diese Maßnahme wird in Verbindung mit den vorangehend genannten Merkmalen erreicht, dass hochenergetische gerichtete Ionenstrahlen mit Energie stromdichten und Teilchendichten erzeugt werden, wie sie bisher nur oder nicht einmal mit den in der Be schreibungseinleitung angeführten technischen Großanla gen erzeugt werden können. Gleichzeitig kann hierbei kohärente kurzwellige elektromagnetische Strahlung im Röntgen- und Gammabereich frei werden, die für unter schiedliche Anwendungen genutzt werden kann.Only through this measure is in connection with the aforementioned characteristics achieved that high-energy directed ion beams with energy current densities and particle densities are generated, such as so far only or not even with those in the Be Introduction to the technical large plant gene can be generated. At the same time coherent shortwave electromagnetic radiation in the X-ray and gamma areas become clear for under different applications can be used.

Die fokussierte Laserstrahlung des Hauptpulses und des/der Prepulse(s) bzw. die Stoßwelle müssen hierbei selbstverständlich eine geeignet hohe Intensität bzw. Stärke aufweisen, um ein Plasma ausreichender Ladungs trägerkonzentration im Bereich des Brennpunktes erzeu gen zu können, aus dem geladene Teilchen im elektroma gnetischen Feld beschleunigt werden können. Durch das Zusammenwirken der Stoßwellenfront und des Laserhaupt pulses wird ein lokal begrenztes Gebiet der Resonanzab sorption für den Hauptpuls im Brennpunkt erzeugt, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist, die vom Target aus gesehen konvex ausgebildet ist.The focused laser radiation of the main pulse and the prepulse (s) or the shock wave of course a suitably high intensity or Have strength to a plasma of sufficient charge carrier concentration in the area of the focal point gene from the charged particles in the electroma gnetic field can be accelerated. By the Interaction of the shock wave front and the laser head pulses becomes a local area of resonance sorption for the main pulse in the focal point that has a curved surface from the target seen is convex.

Für die Erzeugung hochenergetischer gerichteter Ionenströme mit dem vorliegenden Verfahren und der zu gehörigen Vorrichtung sind im Gegensatz zu allen bisher eingesetzten Mechanismen zur Erzeugung hochenergeti scher und auch relativistischer Teilchenströme keine technischen Großanlagen wie Linearbeschleuniger oder Zyklotronbeschleuniger erforderlich. Die Durchführung des Verfahrens erfordert vielmehr lediglich eine geeig nete Laseranordnung zur Erzeugung kurzer Laserpulse, eine Fokussieroptik, ein Dielektrikum sowie ein ent sprechendes Target, wobei der Brennpunkt der Fokus sieroptik auf einen definierten Abstand zum Target ein gestellt werden muss. Der Aufwand zur Erzeugung hochen ergetischer, auch relativistischer Teilchenströme ist damit deutlich geringer als bei den bekannten Beschleu nigereinrichtungen und -verfahren. Das betrifft sowohl den erforderlichen Energieeinsatz für die Erzeugung der Ionenströme - und damit den Wirkungsgrad der Anlage - als auch den benötigten Bauraum und das Gesamtgewicht der Anlage. Im Gegensatz zu den bekannten Beschleuni geranlagen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung trans portabel bzw. mobil ausgeführt werden, was den Einsatz am Ort der Anwendung in vorteilhafter Weise ermöglicht. Die erforderlichen Voraussetzungen für die Erzeugung hochenergetischer gerichteter Ionenströme sind gemäß dem vorliegenden Verfahren damit um zumindest eine Grö ßenordnung kostengünstiger als die Realisierung mit den bekannten bisherigen technischen Ansätzen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vor richtung erreichbaren Teilchen bzw. Stromdichten bei gleichzeitig hohen Energien sind dennoch höher als sie mit klassischen Beschleunigersystemen erreichbar sind. Gerade die für die Anregung von gesteuerten Kernfusi onsprozessen notwendigen Teilchen- und Energiedichten können derzeit mit den bekannten Techniken nicht reali siert werden, wären jedoch u. U. mit der erfindungsgemä ßen Lösung möglich. Auch die Erzeugung kohärenter Strahlung im Röntgen- oder Gammabereich erfordert einen geringeren Aufwand oder wird in einer neuen Qualität erst möglich, da keine extern erzeugten Magnetfelder höchster Feldstärken erforderlich sind, wie dies bei spielsweise beim freien Elektronenlaser der Fall ist.For the generation of high energy directed Ion currents with the present method and to associated device are in contrast to all so far Mechanisms used to generate high energy shear and relativistic particle streams none large technical systems such as linear accelerators or Cyclotron accelerator required. The implementation rather, the method only requires one nete laser arrangement for generating short laser pulses, a focusing optics, a dielectric and an ent speaking target, with the focus being the focus optics at a defined distance from the target must be asked. Generate the effort to generate ergetischer, also relativistic particle streams thus significantly less than with the known accelerators Nigerian facilities and procedures. That affects both the energy required to generate the Ion currents - and thus the efficiency of the system - as well as the space required and the total weight the plant. In contrast to the known accelerators geranlagen the device according to the invention can trans portable or mobile, whatever the use at the place of application in an advantageous manner. The prerequisites for generation high-energy directed ion currents are in accordance the present method by at least one size orderly cheaper than the realization with the known previous technical approaches. The one with the inventive method and the associated before direction attainable particles or current densities at the same time high energies are still higher than them can be achieved with classic accelerator systems. Especially for the stimulation of controlled core enthusiasts necessary particle and energy densities can currently not reali with the known techniques be siert, but would u. U. with the invention solution possible. The generation is also more coherent Radiation in the X-ray or gamma range requires one less effort or will be of a new quality only possible because there are no externally generated magnetic fields highest field strengths are required, as is the case with for example, with the free electron laser.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Wirkung kommende Energieakkumulation erfordert, daß das im Fo kalgebiet im kurzen Laserhauptpuls vorhandene extrem hohe elektromagnetische Feld durch Resonanzabsorption in Felder zur Bündelung und zur extremen gerichteten Beschleunigung der im Plasma vorhandenen Ladungsträger transformiert werden kann. Voraussetzung für den Kumu lativeffekt ist die Erfüllung der Bedingung für die Re sonanzabsorption in einem Übergangsgebiet geringer Ab messung im Bereich des Brennpunktes. Diese Bedingung für Resonanzabsorption ist in einem Gebiet erfüllt, in dem die Plasma-Langmuirfrequenz annähernd gleich der Frequenz der Laserstrahlung ist, wobei die Oberfläche bzw. Randfläche des Gebietes der erfüllten Resonanzbe dingung vom Target aus gesehen konvex ausgebildet sein muß. Damit die Resonanzbedingung in einem begrenzten Gebiet mit einer entsprechend konvexen Randfläche annä hernd erfüllt ist, muß wiederum die Ladungsträgerkon zentration im Brennpunktbereich des Hauptpulses einen steilen Gradienten aufweisen. Diese Voraussetzungen liegen gerade in den von den Prepulsen erzeugten Stoß wellen vor, so dass die Bedingungen für die Initiierung hochenergetischer Ionenstrahlen genau dann gegeben sind, wenn die Stoßwellen bzw. Stoßwellenfronten etwa zeitgleich mit dem Hauptpuls im Brennpunktbereich des Hauptpulses eintreffen. Dies führt gleichzeitig zur er forderlichen konvexen Form des Gebietes der Resonanzbe dingung.The effect in the inventive method coming energy accumulation requires that the Fo extremely present in the short laser main pulse high electromagnetic field due to resonance absorption in bundling and extreme targeted fields Acceleration of the charge carriers present in the plasma can be transformed. Requirement for the Kumu The relative effect is the fulfillment of the condition for the re sonar absorption in a transition area with low ab measurement in the area of the focal point. This condition for resonance absorption is met in an area in which the plasma Langmuir frequency approximately equal to that Frequency of the laser radiation is the surface or edge surface of the area of the fulfilled resonance condition seen from the target be convex got to. So that the resonance condition in a limited Area with a correspondingly convex edge surface hernd is satisfied, the charge carrier con concentration in the focus area of the main pulse have steep gradients. These requirements are just in the shock generated by the prepulses wave ahead so the conditions for initiation then given high-energy ion beams are when the shock waves or shock wave fronts are about at the same time as the main pulse in the focal area of the Main pulse arrive. This leads to him at the same time required convex shape of the area of resonance dingung.

Selbstverständlich müssen die Intensität der durch einen Prepuls hervorgerufenen Stoßwelle und die Intensität des Hauptpulses im Fokusgebiet groß genug gewählt werden, um lokal Bedingungen der Resonanzabsorption der Strahlung des Hauptpulses zu erreichen, d. h. daß ein ausreichender Gradient der Elektronenkonzentration in der Stoßwellenfront existieren und ein ausreichender Absolutwert der Elektronenkonzentration vorhanden sein muss, so daß für ein räumlich begrenztes Gebiet die Plasma-Langmuirfrequenz gleich der Frequenz der Laser strahlung im Hauptpuls wird. Die Pulsdauer des Laser hauptpulses liegt hierbei vorzugsweise im Bereich um oder unterhalb von 100 ps.Of course, the intensity of the through a prepulse-induced shock wave and the intensity of the main pulse in the focus area is chosen large enough be used to determine local conditions of resonance absorption of the To reach radiation of the main pulse, d. H. the existence sufficient gradient of the electron concentration in the shock wave front exist and a sufficient one Absolute value of the electron concentration must be present must, so that for a limited area Langmuir plasma rate equal to the frequency of the laser radiation in the main pulse. The pulse duration of the laser main pulse is preferably in the region or below 100 ps.

Der hochenergetische kurze Laserhauptpuls, der vorzugsweise mit einem gepulsten Festkörperlaser wie einem Nd-YAG-Laser erzeugt wird, wird unmittelbar vor das Target fokussiert. Das Target selbst kann hierbei auf Masse liegen oder bezüglich seines Potentials frei schwebend sein.The high-energy short laser main pulse, the preferably with a pulsed solid-state laser such as an Nd-YAG laser is generated immediately before the target focuses. The target itself can do this lie on ground or free with regard to its potential be floating.

An das Dielektrikum werden hierbei keine besonde ren Anforderungen gestellt. Vorzugsweise handelt es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum, wie ein Gas oder Wasser. Der Abstand zwischen dem La serstrahlbrennpunkt und dem vorzugsweise metallischen Target, das bevorzugt auf der dem Brennpunkt zugewand ten Seite eben ausgeführt sein sollte, muss genau ein gestellt werden. Die Einstellung erfolgt hierbei so, dass eine sich vom Target in Richtung des Brennpunktes ausbreitende Stoßwellenfront etwa zeitgleich mit dem Laserhauptpuls im Brennpunkt eintrifft. Diese Einstel lung wird durch geeignete Vorversuche ermittelt. Als Referenzebene für die Beurteilung der Lage der etwa halbkreisförmig ausgebildeten Stoßwellen wird hierbei eine Ebene herangezogen, in der der einfallende Laserstrahl liegt. Auf die Möglichkeiten der Erfassung die ser Stoßwellenfront und deren Form wird weiter unten näher eingegangen.In this case, no special attention is paid to the dielectric requirements. It is preferably is a liquid or gaseous dielectric, like a gas or water. The distance between the La focal point and preferably metallic Target that preferred to face the focal point If the page should be flat, it must be exactly one be put. The setting is made so that one is from the target towards the focal point propagating shock wave front at about the same time as the Main laser pulse arrives at the focus. This setting ling is determined by suitable preliminary tests. As Reference plane for assessing the location of the approx semicircular shock waves a plane is used in which the incident laser beam lies. On the possibilities of capturing the This shock wave front and its shape is shown below discussed in more detail.

Die Wechselwirkung der Stoßwellenfront mit dem elektromagnetischen Feld des Laserhauptpulses führt da zu, dass im steilen Konzentrationsgradienten der La dungsträger eine Resonanzabsorption der Laseremission des Hauptpulses erfolgt. Die in der dünnen Schicht der Resonanzabsorption erzeugten Felder führen zu einer Be schleunigung der Plasmaelektronen in Richtung zu der dem Target gegenüberliegenden Seite des Brennpunktes. Aufgrund der Störung der Quasineutralität des Plasmas duch die Beschleunigung der Plasmaelektronen wird die trägere Ionenwolke des Brennpunktbereiches ebenfalls in Richtung der Elektronen beschleunigt. Die parabelähnli che Ausprägung der Schicht der Resonanzabsorption hat einen Kumulativeffekt zur Folge, durch den die gelade nen Teilchen letztendlich in einem engen Kanal parallel, aber entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der La serstrahlung des Hauptpulses gebündelt und beschleunigt werden. Dies erfolgt mit sehr hoher Energie bei gleich zeitig hoher Teilchendichte und entspricht einer im pulsförmigen extrem hohen Energiestromdichte geladener atomarer Teilchen.The interaction of the shock wave front with the electromagnetic field of the main laser pulse leads there to that in the steep concentration gradient of La a resonance absorption of the laser emission of the main pulse. Those in the thin layer of Fields generated by resonance absorption lead to a loading acceleration of the plasma electrons towards the side of the focal point opposite the target. Due to the disturbance of the quasi-neutrality of the plasma Due to the acceleration of the plasma electrons more inert ion cloud of the focal area also in Accelerated towards the electrons. The parabola-like che expression of the layer of resonance absorption a cumulative effect by which the loaded a particle in the end in a narrow channel, but opposite to the direction of propagation of the La radiation of the main pulse bundled and accelerated become. This is done with very high energy at the same time early high particle density and corresponds to one in pulsed extremely high energy current density charged atomic particles.

Bei diesen zuletzt dargestellten Mechanismen han delt es sich lediglich um einen Erklärungsversuch der durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens reali sierbaren hohen Energiestromdichte der Ionen. Die ge nauen Hintergründe für das mit dem Verfahren erreichba re sehr vorteilhafte Resultat sind bisher nicht eindeu tig geklärt. Dies betrifft insbesondere die Tatsache, dass sich die gerichteten hochenergetischen Ionenstrahlen nur erzeugen lassen, wenn der Brennpunkt den voran gehend angegebenen Abstand zum Target aufweist, der bei den Parametern des nachfolgend dargestellten Ausfüh rungsbeispiels im Bereich von 100 µm liegt.With these last presented mechanisms han it is only an attempt to explain the reali by using the inventive method adjustable high energy current density of the ions. The ge exact background for what can be achieved with the method re very advantageous results are not yet clear cleared up. This particularly affects the fact that the directional high-energy ion beams only generate if the focal point precedes the has the specified distance to the target, which at the parameters of the version shown below Example is in the range of 100 microns.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens werden sowohl der Laserhaupt puls wie auch der/die Prepuls(e) durch einen gepulsten Festkörperlaser erzeugt. Laserhauptpuls und Prepuls(e) sind hierbei Bestandteil eines einzigen Laserpulses. Derartige Pulsformen entstehen bei der Erzeugung kurzer Laserpulse hoher Energie mit Festkörperlasern. Der kur ze intensive Laserhauptpuls mit Pulsdauern im Bereich von 100 ps oder darunter besitzt einen oder mehrere voranlaufende einzelne Prepulse über einen Zeitraum von etwa 5-10 ns. Bei Fokussierung eines derartigen La sergesamtpulses auf den Brennpunkt trifft zunächst die Laserstrahlung der Prepulse im Brennpunkt ein und er zeugt dort eine Vorionisation sowie vom Target ausge hend eine Stoßwelle. Das Verhältnis der Energiestrom dichten des kurzen Hauptpulses zur vorauseilenden Laser emission beträgt im Brennpunkt vorzugsweise mindestens 10³.In a preferred embodiment of the method according to the invention, both the main laser pulse and the prepulse (s) are generated by a pulsed solid-state laser. The main laser pulse and prepulse (s) are part of a single laser pulse. Such pulse shapes arise when short laser pulses of high energy are generated using solid-state lasers. The short intense laser main pulse with pulse durations in the range of 100 ps or less has one or more preceding individual prepulses over a period of about 5-10 ns. When such a total laser pulse is focused on the focal point, the laser radiation of the prepulses first arrives at the focal point and it generates a pre-ionization and a shock wave based on the target. The ratio of the energy flow densities of the short main pulse to the leading laser emission is preferably at least 10 ³ at the focal point.

Selbstverständlich können jedoch die Vorionisation und die Stoßwelleninitiierung auch durch getrennt erzeugte Laserpulse hervorgerufen werden, die zeitlich in kurzem Abstand vor dem kurzen intensiven Laserhauptpuls in den Brennpunkt fokussiert werden.Of course, preionization and the shock wave initiation also by separately generated Laser pulses are produced in a short time Distance before the short intense laser main pulse in the Focus to be focused.

Für den Abstand d zwischen Brennpunkt und Target müssen bei Einsatz mehrerer aufeinanderfolgender Pre pulse zur Stoßwellenerzeugung Minimal- und Maximalab stände eingehalten werden. For the distance d between the focal point and the target if several successive Pre Pulse for generating minimum and maximum shock waves stands are adhered to.

Der Minimalabstand ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen Hauptpuls und dem unmittelbar dem Hauptpuls voranlaufenden Prepuls sowie den erforderli chen Laufzeiten für die Erzeugung und Ausbreitung der durch den genannten Prepuls erzeugten Stoßwellenfront. Die durch den unmittelbar dem Hauptpuls voranlaufenden Prepuls erzeugte Stoßwelle darf also nicht vor dem Hauptpuls den Brennpunkt erreichen.The minimum distance results from the temporal Distance between the main pulse and that immediately Main pulse leading prepuls as well as the required times for the generation and spread of the shock wave front generated by said prepuls. The one that immediately precedes the main pulse Shock wave generated by prepuls must not be before Main pulse reach the focus.

Der Maximalabstand ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen Hauptpuls und dem ersten bzw. vorder sten der dem Hauptpuls voranlaufenden Prepulse, der ei ne Stoßwelle geeigneter Intensität hervorrufen kann, sowie den erforderlichen Laufzeiten für die Erzeugung und Ausbreitung der durch den genannten Prepuls erzeug ten Stoßwellenfront. Der erste dem Hauptpuls voranlau fende Prepuls, der eine Stoßwelle geeigneter Intensität hervorrufen kann, darf den Brennpunktbereich also nicht später als der Hauptpuls erreichen.The maximum distance results from the time Distance between the main pulse and the first or front Most of the prepulses leading the main pulse, the egg can cause a shock wave of suitable intensity, as well as the run times required for generation and spreading generated by said prepuls shock wave front. The first one ahead of the main pulse fende prepuls, which is a shock wave of suitable intensity can not cause the focus area reach later than the main pulse.

Der Abstand d muss weiterhin groß genug sein, daß sich eine durch einen Prepuls erzeugte Stoßwellenfront ausreichender räumlicher Abmessung aufbauen kann, d. h. bevorzugt in einer Mindestgröße, die in etwa der Abmes sung der Taille des Fokusgebietes des Hauptpulses ent spricht. Aufgrund der in der Regel annähernd kugelför migen Wellenfront bedeutet dies, daß bevorzugt ein Mi nimalabstand d von der Größe des Durchmessers der Fokus taille einzuhalten ist.The distance d must still be large enough that a shock wave front generated by a prepulse can build up sufficient spatial dimensions, d. H. preferably in a minimum size that is approximately the dimensions solution of the waist of the focus area of the main pulse speaks. Because of the generally approximately spherical moderate wave front, this means that preferably a Mi nimal distance d from the size of the diameter the focus waist is to be observed.

Die Einstellung des korrekten Abstandes zwischen dem Target und dem Brennpunkt kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. So können einerseits die er zeugten Ionenströme bei unterschiedlichen Abständen des Brennpunkts zum Target gemessen und anhand des Maximums der optimale Abstand ermittelt werden. Vorzugsweise wird die vom Target ausgehende bzw. am Target initiier te Stoßwellenfront jedoch über geeignete Messverfahren dargestellt und der Abstand zwischen Target und Brenn punkt entsprechend eingestellt. Selbstverständlich müs sen hierzu entsprechende Testimpulse auf den Brennpunkt fokussiert werden, um die Stoßwellenfront auszulösen. Die Darstellung der Stoßwellenfront im Bereich zwischen Brennpunkt und Target erfolgt hierbei vorzugsweise mit tels Schattenabbildung oder interferometrischer Dar stellung dieses Bereichs. Bildet eine der Stoßwellen fronten in diesen Darstellungen annähernd einen vom Target ausgehenden Halbkreis und berührt dieser in etwa den Brennpunkt bei Eintreffen des Laserhauptpulses, so ist die optimale Einstellung gefunden, bei der die ma ximalen Ionenströme erzeugt werden.Setting the correct distance between The target and the focus can be different Way. On the one hand, he can generated ion currents at different distances of the Focal point to the target measured and based on the maximum the optimal distance can be determined. Preferably is initiated from the target or initiated at the target te shock wave front, however, using suitable measuring methods shown and the distance between target and focal point set accordingly. Of course must For this purpose, appropriate test pulses on the focal point be focused to trigger the shock wave front. The representation of the shock wave front in the area between The focal point and target are preferably carried out here shadow image or interferometric dar position of this area. Forms one of the shock waves front in these representations almost one from Target outgoing semicircle and touches it roughly the focal point when the main laser pulse arrives, see above the optimal setting is found at which the ma ximal ion currents are generated.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung ge richteter hochenergetischer Ionenstrahlen und/oder kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung umfasst da her neben der Laseranordnung zur Erzeugung der ein oder mehreren Prepulse sowie eines hochenergetischen Laser hauptpulses, einer Fokussieroptik sowie dem Target und einer Einrichtung zur Justierung des Abstandes zwischen Target und Brennpunkt der Fokussieroptik auch eine Ein richtung zum Darstellen einer oder mehrerer sich im Be reich zwischen dem Brennpunkt und dem Target im Dielek trikum ausbreitenden Stoßwellenfronten.The inventive device for generating ge directed high-energy ion beams and / or short-wave electromagnetic radiation includes forth in addition to the laser arrangement for generating the one or several prepulses and a high-energy laser main pulse, a focusing lens and the target and a device for adjusting the distance between Target and focal point of the focusing optics also an on Direction to represent one or more in the loading rich between the focus and the target in the Dielek tric spreading shock wave fronts.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen oh ne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals erläutert. Hierbei zeigen: The invention is based on an off example in connection with the drawings oh ne limitation of the general inventive concept explained again. Here show:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Laserstrahlfo kussierung, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar ist; Fig. 1 schematically shows an arrangement for Laserstrahlfo kissing, as can be used in the method according to the invention;

Fig. 2 ein Beispiel für die Form eines Laserpulses für den Einsatz beim erfindungsgemäßen Ver fahren; Figure 2 shows an example of the shape of a laser pulse for use in the invention drive Ver.

Fig. 3 schematisch ein Beispiel für den optimalen Abstand zwischen Brennpunkt und Target; . Figure 3 shows schematically an example of the optimum distance between the focus and target;

Fig. 4 die Darstellung der Stoßwellenfronten beim Erreichen des Brennpunktes in einer Schatten aufnahme; und Figure 4 shows the representation of the shock wave fronts when reaching the focal point in a shadow. and

Fig. 5 ein Beispiel für einen Aufbau der erfindungs gemäßen Vorrichtung. Fig. 5 shows an example of a structure of the device according to the Invention.

Ways of Carrying Out the Invention

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung hochenerge tischer gerichteter Ionenstrahlen und kohärenter kurz welliger elektromagnetischer Strahlung. Hierbei wird der Laserstrahl der ersten Harmonischen (Wellenlänge 1064 nm) eines mit einer Frequenz von 4 Hz gepulsten Nd:YAG-Lasers 1a mittels einer fokussierenden Optik 2 in ein Dielektrikum 5 fokussiert. Der Brennpunkt liegt unmittelbar vor einem metallischen ebenen Target 4. Das Dielektrikum 5 wird in diesem Beispiel durch Luft ge bildet. Fig. 5 shows an example of the structure of a device according to the invention for generating highly energetic directed ion beams and coherent short-wave electromagnetic radiation. Here, the laser beam of the first harmonic (wavelength 1064 nm) of an Nd: YAG laser 1 a pulsed with a frequency of 4 Hz is focused into a dielectric 5 by means of focusing optics 2 . The focal point lies directly in front of a flat metallic target 4 . The dielectric 5 is formed by air in this example ge.

Die Fokussierung ist nochmals schematisch in Fig. 1 dargestellt, in der der Laserstrahl 1, die fokussie rende Optik 2, das Dielektrikum 5 sowie das metallische Target 4 zu erkennen sind. Die Brennebene O der fokus sierenden Optik 2 befindet sich unmittelbar vor der Ebene N der Targetoberfläche. Der Brennpunkt 3 ist durch den Strahlverlauf des Laserstrahls 1 angedeutet.The focusing is shown again schematically in Fig. 1, in which the laser beam 1 , the focussing optics 2 , the dielectric 5 and the metallic target 4 can be seen. The focal plane O of the focusing optics 2 is located directly in front of the plane N of the target surface. The focal point 3 is indicated by the beam path of the laser beam 1 .

Der zeitliche Intensitätsverlauf eines mit dem Nd:YAG-Laser erzeugten Einzel-Pulses, im Folgenden auch als Hauptpuls bezeichnet, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. In der Figur ist sehr gut der kurze inten sive Hauptpuls 13 zu erkennen, der voranlaufende Pre pulse 12 besitzt. Der gesamte Laserpuls hat eine Ener gie von etwa 60 mJ, wobei die Peak-Leistungsdichte des Hauptpulses 13 im Brennpunkt 3 etwa 3 × 10¹³ W/cm², in den zeitlich voranliegenden Prepulsen etwa 1 × 10¹⁰ W/cm² be trägt. Der Hauptpuls 13 hat bei Annahme eines glocken förmigen Profils eine Halbwertsdauer von ca. 100 ps.The temporal intensity profile of an individual pulse generated with the Nd: YAG laser, also referred to below as the main pulse, is shown schematically in FIG. 2. In the figure, the short intensive main pulse 13 can be seen very well, which has the leading pre pulse 12 . The entire laser pulse has an energy of about 60 mJ, the peak power density of the main pulse 13 at the focal point 3 being about 3 × 10 ¹³ W / cm ² and about 1 × 10 ¹⁰ W / cm ² in the prepulses preceding it. The main pulse 13 has a half-life of approximately 100 ps assuming a bell-shaped profile.

Die Leistungsdichte von etwa 10¹⁰ W/cm² in den fo kussierten Prepulsen vor dem metallischen Target 4 ist ausreichend, um dort ein lokales Plasma und am Target eine Stoßwelle zu erzeugen. Bei Erreichen des Brenn punktes 3 durch den Hauptpuls 13 wird dieser einer zu sätzlichen Fokussierung unterworfen, so dass eine Spit zenleistungsdichte des Strahls um etwa 5 × 10¹⁵ W/cm² im Brennpunkt 3 erreicht wird. Vom metallischen Target 4 gehen vor Erreichen des Brennpunktes 3 durch den Haupt puls 13 eine oder mehrere in etwa halbkreisförmige Stoßwellen 6 aus. Bei korrekter Einstellung des Abstan des d zwischen dem Brennpunkt 3 und der Oberfläche 4a des Targets 4 bildet diese Stoßwelle 6 in etwa einen Halbkreis zwischen Target und Brennpunkt, wenn sie das Gebiet des Brennpunktes 3 in etwa zeitgleich mit dem Hauptpuls erreicht. In diesem Fall kommt es zu einem gerichteten Bündeln und Beschleunigen von den in der Nähe des Brennpunktes 3 gebildeten leichteren Elektro nen entlang einer Vorzugsrichtung, die - im vorliegen den Beispiel - entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung verläuft. Wegen der extremen Verlet zung der Quasineutralität des Plasmas durch das Wegbe wegen der Elektronen werden in der Folge die ebenfalls in Fokusnähe 3 entstandenen Ionen in Richtung der Elek tronenbewegung beschleunigt und gebündelt. Hierbei wer den für Ionendichten von < 10²⁶ m^-3 Energien von bis zu einigen MeV erreicht.The power density of approximately 10 ¹⁰ W / cm ² in the foiled prepulses in front of the metallic target 4 is sufficient to generate a local plasma there and a shock wave at the target. Upon reaching the focal point 3 is controlled by the main pulse 13 of a subject to sätzlichen focusing, so that a Spit zenleistungsdichte of the beam to about 5 x 10 ¹⁵ W / cm ² at the focal point 3 reaches. From the metallic target 4 , one or more roughly semicircular shock waves 6 originate from the main pulse 13 before reaching the focal point 3 . When the distance d between the focal point 3 and the surface 4 a of the target 4 is set correctly, this shock wave 6 forms approximately a semicircle between the target and the focal point when it reaches the area of the focal point 3 approximately at the same time as the main pulse. In this case, there is a directed bundling and acceleration of the lighter electrons formed in the vicinity of the focal point 3 along a preferred direction which - in the present example - runs opposite to the direction of propagation of the laser radiation. Because of the extreme Verlet the quasi neutrality of the plasma-cutting the resulting ions are accelerated also in focus area 3 in the direction of Elek tronenbewegung in the sequence, and focused by the Wegbe due to the electrons. Here, who achieves energies of up to a few MeV for ion densities of <10 ²⁶ m ^-3 .

Diese gerichtete Ionenstrahlung kann in üblicher Weise durch elektrische oder magnetische Felder zu ih rem Anwendungsort geführt werden. Gleichzeitig entsteht bei diesem Prozess kohärente elektromagnetische Strah lung in einem breiten Frequenzbereich, aus dem insbe sondere die Röntgen- und Gammastrahlung für die weitere Anwendung interessant ist.This directional ion radiation can be more common Way to them by electric or magnetic fields rem application location. Simultaneously emerges coherent electromagnetic beam in this process development in a wide frequency range, from which in particular especially the x-rays and gamma rays for the rest Application is interesting.

Entscheidend für die Herstellung der gerichteten, hochenergetischen Elektronen- bzw. Ionenströme ist eine richtige Lage des Laserstrahlbrennpunkts vor dem Tar get. Diese Lage ist dann gegeben, wenn eine der vom Target weglaufenden wie oben beschriebenen Stoßwellen bei Eintreffen im Brennpunkt in etwa auf den eintref fenden Laserhauptpuls trifft. Dieser Zustand ist sche matisch in Fig. 3 für die vordere Stoßwelle darge stellt. Diese zeigt wiederum den Laserstrahl 1, der durch die fokussierende Optik 2 auf einen Brennpunkt 3 in der Brennebene O vor der Ebene N der Targetoberflä che des metallischen Targets 4 fokussiert wird. Mit dem Bezugszeichen 6 ist hierbei die Form der Stoßwellen fronten am Beispiel von drei generierten Stoßwellen dargestellt, wie sie idealerweise bei Erreichen des Brennpunktes 3 bei korrektem Abstand zwischen Brenn punkt und Targetoberfläche ausgebildet ist. Diese Lage der Stoßwellenfronten 6 kann durch geeignete messtech nische, beispielsweise optische Maßnahmen bei der Durchführung des Verfahrens dargestellt werden. Ein Beispiel für eine derartige Darstellung zeigt die Schattenaufnahme der Fig. 4. In dieser Aufnahme sind das Target 4 mit der Targetoberfläche 4a, das Plasmafo kusgebiet 3 sowie die Stoßwellenfronten 6 in einem Zeitpunkt nach Eintreffen des Hauptpulses 13 zu erken nen, zu dem die vordere Stoßwellenfront 6 den Brenn punkt 3 bereits erreicht hat. Das heller ausgebildete Gebiet 14 ist der stark lokale Bereich, in dem die Be dingung der Resonanzabsorption erfüllt ist. Die konvexe Ausbildung, bezogen auf das Target, garantiert den be reits beschriebenen Kummulativeffekt der Ladungsträger bündelung und Beschleunigung. Durch eine derartige Ab bildung des Bereiches zwischen Target und Brennpunkt zu verschiedenen Zeiten lässt sich der Abstand zwischen Target und Brennpunkt optimal nach den Vorgaben ein stellen.The correct position of the laser beam focal point in front of the target is crucial for the production of the directional, high-energy electron or ion currents. This position is present when one of the shock waves running away from the target, as described above, roughly hits the target upon arrival at the focal point Laser main pulse hits. This state is cal matic in Fig. 3 for the front shock wave Darge provides. This in turn shows the laser beam 1 , which is focused by the focusing optics 2 onto a focal point 3 in the focal plane O in front of the plane N of the target surface of the metallic target 4 . With the reference numeral 6 , the shape of the shock waves fronts is illustrated using the example of three generated shock waves, as is ideally formed when the focal point 3 is reached at the correct distance between the focal point and the target surface. This position of the shock wave fronts 6 can be represented by suitable measurement technology, for example optical measures when carrying out the method. An example of such a representation is shown in the shadow image of FIG. 4. In this image, the target 4 with the target surface 4 a, the plasma focus area 3 and the shock wave fronts 6 are to be recognized at a time after the arrival of the main pulse 13 , at which the front shock wave front 6 has already reached the focal point 3 . The lighter area 14 is the strong local area in which the condition of resonance absorption is satisfied. The convex shape, based on the target, guarantees the previously described cumulative effect of the bundling and acceleration of the charge carriers. From such an image of the area between the target and the focal point at different times, the distance between the target and the focal point can be optimally adjusted according to the specifications.

Eine derartige Schattenaufnahme zur Justage des Abstandes des Brennpunktes 3 zum Target 4 kann mit Hil fe der ebenfalls vom Nd:YAG-Laser generierten Strahlung der zweiten Harmonischen bei 532 nm erfolgen. Sie be leuchtet über eine optische Laufzeitverzögerung 8 und verschiedene Elemente der optischen Strahlleitung und Strahlformung 7 als ebene Welle das Gebiet zwischen La serstrahlfokus 3 und Target 4, wie dies in Fig. 5 bei spielhaft dargestellt ist. Über eine vergrößernde Mi kroskopoptik 9 wird die von einem halbdurchlässigen Spiegel bzw. Strahlteiler 7a reflektierte Sondierungs welle über eine CCD-Kamera 10 abgebildet. Die optische Laufzeitverzögerung 8 gestattet hierbei, den Durchlauf des Hauptpulses 13 durch den Strahlfokus 3 für ver schiedene Zeiten darzustellen und auf diese Weise die Entwicklung der Stoßwellenfronten 6 zu beobachten. Durch eine Verschiebung des Targets 4 in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Zündpulses kann der Abstand zwischen dem Target und dem Brennpunkt so eingestellt werden, dass eine der Stoßwellenfronten zwischen Target und Fokusgebiet zum Zeitpunkt des Eintreffens des La serhauptpulses im Brennpunkt diesen ebenfalls erreicht und das Gebiet der Resonanzabsorption ausbildet. Die Darstellung kann hierbei über ein Rechnersystem 11 mit Monitor erfolgen. Such a shadow recording for adjusting the distance of the focal point 3 to the target 4 can take place with help of the radiation of the second harmonic at 532 nm also generated by the Nd: YAG laser. You be illuminated by an optical delay 8 and various elements of the optical beam line and beam shaping 7 as a plane wave, the area between laser beam focus 3 and target 4 , as shown in Fig. 5 at playful. About a magnifying microscope optics 9 , the probe wave reflected by a semi-transparent mirror or beam splitter 7 a is imaged by a CCD camera 10 . The optical transit time delay 8 allows the passage of the main pulse 13 through the beam focus 3 to be shown for different times and in this way to observe the development of the shock wave fronts 6 . By shifting the target 4 in the direction of the propagation direction of the ignition pulse, the distance between the target and the focal point can be adjusted so that one of the shock wave fronts between the target and the focus area at the time the laser main pulse arrives at the focal point also reaches this and the area of resonance absorption formed. The representation can take place via a computer system 11 with a monitor.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Laserstrahl
laser beam

11

a Laser
a laser

22

fokussierende Optik
focusing optics

33

Brennpunkt
focus

44

Target
target

44

a Targetoberfläche
a target surface

55

Dielektrikum
dielectric

66

Stoßwellenfronten
Shock wave fronts

77

optische Elemente
optical elements

77

a Strahlteiler
a beam splitter

88th

optische Laufzeitverzögerung
optical delay time

99

Mikroskopoptik
microscope optics

1010

CCD-Kamera
CCD camera

1111

Rechnersystem mit Monitor
Computer system with monitor

1212

Prepulse
prepulse

1212

a letzter dem Hauptpuls voranlaufender Prepuls
a last prepulse preceding the main pulse

1212

b erster dem Hauptpuls voranlaufender Prepuls
b first prepulse preceding the main pulse

1313

Hauptpuls
main pulse

1414

Bereich der Resonanzabsorption
O Brennebene
N Ebene der Targetoberfläche
Range of resonance absorption
O focal plane
N level of the target surface

Claims

1. A method for generating high-energy ions and / or short-wave electromagnetic radiation, in which a short laser main pulse ( 13 ) is generated and focused on a focal point ( 3 ) in a dielectric ( 5 ), which is at a short distance d in front of one Target ( 4 ) lies, whereby
Immediately before the arrival of the Laserhauptpul ses ( 13 ) one or more laser pulses ( 12 ) are focused on the focal point ( 3 ) and at least one shock wave ( 6 ) is generated in the dielectric, which is from the target ( 4 ) in the direction of the focal point ( 3 ) spreads, as well as a pre-ionization is generated,
the distance d between the focal point ( 3 ) and the target ( 4 ) is set such that the shock wave ( 6 ) reaches the focal point ( 3 ) approximately at the same time as the main laser pulse ( 13 ), and
the intensity of the main laser pulse ( 13 ) and the strength of the shock wave ( 6 ) are chosen to be sufficiently high to generate a plasma of a charge carrier concentration in the region of the focal point, from which charged particles can be accelerated in the electromagnetic field.

2. The method according to claim 1, characterized in that when generating a plurality of successive laser pulses ( 12 ) which are able to produce a suitable shock wave ( 6 ), the distance d is set so that the temporally first generated shock wave ( 6 b ) reaches the focal point ( 3 ) approximately at the same time as the main laser pulse ( 13 ).

3. The method according to claim 1, characterized in that when generating a plurality of successive laser pulses ( 12 ) which are able to produce a suitable shock wave ( 6 ), the distance d is set so that the time of the first shock wave he generated ( 6 b) subsequent shock wave reaches the focal point ( 3 ) approximately at the same time as the laser main pulse ( 13 ).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the / the laser pulse (s) ( 12 ) and the main laser pulse ( 13 ) generated by a single laser.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the laser pulse (s) ( 12 ) and the main laser pulse ( 13 ) are generated by different lasers, the direction of propagation of the laser pulse (s) (s) ( 12 ) and the laser main pulse ( 13 ) is approximately the same.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that with a pulsed laser ( 1 a) several short main laser pulses ( 13 ) are generated at constant time intervals and focused on the focal point ( 3 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the distance d corresponds at least to the focus diameter of the laser main pulse ( 13 ).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the main laser pulse ( 13 ) has a pulse duration of less than 200 ps.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the distance d between the focal point ( 3 ) and the target ( 4 ) is set with the aid of a shadow image or interferometric representation of the focal point and target area.

10. Device for generating high-energy ions and / or short-wave electromagnetic radiation

- A laser arrangement ( 1 a) for generating one or more laser pulses ( 12 ) and a short main laser pulse ( 13 ),
- A focusing optics ( 2 ) for focusing the La serpulse ( 12 ) and the laser main pulse ( 13 ) on a focal point ( 3 ) in a dielectric ( 5 ),
- a target ( 4 ) at a short distance d behind the focal point ( 3 ),
- A first device for adjusting the distance d between the focal point ( 3 ) and target ( 4 ) and
- A second device ( 1 a, 7-11 ) for Dar represent one or more in a region between the focus ( 3 ) and the target ( 4 ) in the dielectric ( 5 ) propagating shock waves ( 6 ).

11. The device according to claim 10, characterized in that the second device ( 1 a, 7-11 ) comprises the pulsed laser light source ( 1 a) and optical elements ( 7 , 9 ) which a laser pulse of the laser light source ( 1 a) run as an approximately flat wave through the area between the focal point ( 3 ) and the target ( 4 ) and form on a detector ( 10 ), which provides a shadow image of the area.