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@PHDTHESIS{Htzen:906098,
      author       = {Hützen, Anna},
      othercontributors = {Büscher, Markus and Lehrach, Andreas},
      title        = {{P}olarized {P}roton {B}eams from {L}aser-induced
                      {P}lasmas},
      school       = {HHU Düsseldorf},
      type         = {Dissertation},
      address      = {Düsseldorf},
      reportid     = {FZJ-2022-01220},
      pages        = {174 p.},
      year         = {2021},
      note         = {Dissertation, HHU Düsseldorf, 2021},
      abstract     = {Within the scope of this thesis, a scheme for the
                      experimental realizability of spin-polarized laser-driven
                      proton acceleration has been worked out, involving extensive
                      3D Particle-In-Cell (PIC) simulations incorporating spin
                      dynamics as well as the setup and commissioning of a
                      polarized target.3D PIC simulations including spin effects
                      have been performed on the Jülich supercomputer JURECA to
                      numerically predict the degree of beam polarization from a
                      laser-driven plasma accelerator for the first time. To do
                      so, the Thomas-Bargmann-Michel-Telegdi (T-BMT) equation
                      characterizing the spin precession in arbitrary
                      electromagnetic fields has been implemented in the Virtual
                      Laser Plasma Lab (VLPL) code. Analytical estimates show that
                      the Sokolov-Ternov effect and the Stern-Gerlach (SG) effect
                      have negligible influence on the spin dynamics in
                      laser-induced proton acceleration.The simulation work
                      includes a set of several studies clarifying which laser and
                      target configurations, as well as which acceleration
                      mechanisms, result in acceleration energies in the MeV range
                      at preferably high beam polarization. A crucial result of
                      these simulations is that under near-experimental conditions
                      in a multi-PW laser intensity regime, an energy of about 100
                      MeV can be achieved by a two-stage acceleration in gas,
                      while maintaining the polarization at a degree of up to ∼
                      80 $\%.Thus,$ to produce polarized proton beams, the proton
                      spins must already be aligned before the acceleration
                      process, as further simulations demonstrate. This requires a
                      pre-polarized gas target to be experimentally implemented in
                      a setup suitable for laser-plasma acceleration. Following
                      the studies published by the group of T. P. Rakitzis from
                      University of Crete, a gas-jet target, based on the dynamic
                      polarization of hydrogen halides, i.e., HCl or HBr gas, has
                      been designed from scratch and commissioned. Applying a
                      non-magnetic nozzle with a high-speed piezo valve, the gas
                      is injected into an interaction chamber to create a gas
                      density in the range of approximately $10^(19)$ $cm^(-3).$
                      The interaction of the fundamental wavelength of the
                      $JuSPARC_Mira$ Nd:YAG laser system and its circularly
                      polarized fifth harmonic with the gas generates
                      spin-polarized hydrogen atoms in a photo-dissociation
                      process. Due to hyperfine-structure oscillations the
                      polarization is transferred between the electrons and
                      protons within 350 ps. First measurements on their nuclear
                      polarization have been carried out with a Lamb-Shift
                      Polarimeter (LSP). Proof-of-principle demonstrations for the
                      first-time detection of laser-accelerated polarized proton
                      beams in the 100 MeV range are now being prepared for the 10
                      PW laser at Shanghai super-intense Ultrafast Laser Facility
                      (SULF).Based on the gained experience with protons, a
                      concept for the generation of polarized electron beams via
                      plasma wakefield acceleration has been developed, with the
                      long-term goal to pave the way towards a polarized multi-GeV
                      electron-positron collider.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein
                      Konzept zur experimentellen Realisierung der
                      lasergetriebenen Beschleunigung spinpolarisierter Protonen
                      erarbeitet. Dieses umfasst neben umfangreichen 3D
                      Particle-In-Cell (PIC)-Simulationen einschließlich
                      Spindynamik auch den Aufbau und die Inbetriebnahme eines
                      polarisierten Targets.Zur erstmaligen numerischen Vorhersage
                      des Grades der Strahlpolarisation eines lasergetriebenen
                      Plasmabeschleunigers wurden 3D PIC-Simulationen unter
                      Berücksichtigung von Spineffekten auf dem Jülicher
                      Supercomputer JURECA durchgeführt. Dazu wurde die
                      Thomas-Bargmann-Michel-Telegdi (T-BMT)-Gleichung, die die
                      Spinpräzession in elektromagnetischen Feldern beschreibt,
                      in den Virtual Laser Plasma Lab (VLPL)-Code implementiert.
                      Analytische Abschätzungen zeigen, dass der
                      Sokolov-Ternov-Effekt und der Stern-Gerlach (SG)-Effekt
                      einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Spindynamik bei
                      der laserinduzierten Protonenbeschleunigung haben.Die
                      Simulationsarbeiten beinhalten mehrere Studien, anhand derer
                      untersucht wurde, welche Laser- und Targetkonfigurationen,
                      sowie welche Beschleunigungsmechanismen zu Energien im
                      MeV-Bereich bei möglichst hoher Strahlpolarisation führen.
                      Ein wesentliches Ergebnis dieser Simulationen ist, dass,
                      unter experimentnahen Voraussetzungen im Intensitätsregime
                      eines Multi-PW-Lasers, eine Energie von etwa 100 MeV durch
                      eine zweistufige Beschleunigung in Gas bei einem
                      Polarisationsgrad von bis zu ∼ 80 $\%$ erreicht werden
                      kann.Insbesondere zeigen die Simulationen, dass die
                      Protonenspins bereits vor dem Beschleunigungsprozess
                      ausgerichtet sein müssen, um polarisierte Protonenstrahlen
                      zu erzeugen. Dies erfordert ein vorpolarisiertes Gastarget,
                      das in einem für die Laser-Plasma-Beschleunigung geeigneten
                      Aufbau experimentell realisiert wurde.In Anlehnung an die
                      Arbeiten der Gruppe von T. P. Rakitzis von der Universität
                      Kreta wurde ein Gastarget, basierend auf der dynamischen
                      Polarisation von Halogenwasserstoffen, hier HCl-und HBr-Gas,
                      von Grund auf neu konzipiert und in Betrieb genommen. Unter
                      Verwendung einer nicht-magnetischen Gasdüse mit einem
                      Hochgeschwindigkeits-Piezoventil wird das Gas in eine
                      Interaktionskammer injiziert, wobei eine Gasdichte von etwa
                      $10^(19)$ $cm^(-3)$ erzielt wird. Durch die Wechselwirkung
                      der Fundamentalwellenlänge des $JuSPARC_Mira$
                      Nd:YAG-Lasersystems und seiner zirkular polarisierten
                      fünften Harmonischen mit dem Gas werden spinpolarisierte
                      Wasserstoffatome mittels Photodissoziation erzeugt. Infolge
                      von Hyperfeinstruktur-Oszillationen wird die Polarisation
                      zwischen den Elektronen und Protonen binnen 350 ps
                      übertragen. Erste Messungen zu ihrer Kernpolarisation
                      wurden mit einem Lamb-Shift Polarimeter (LSP) durchgeführt.
                      Machbarkeitsstudien zum erstmaligen Nachweis von
                      laserbeschleunigten polarisierten Protonenstrahlen im 100
                      MeV-Bereich werden nun für den 10 PW Laser der Shanghai
                      super-intense Ultrafast Laser Facility (SULF)
                      vorbereitet.Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen mit
                      Protonen wurde abschließend ein Konzept zur Erzeugung von
                      polarisierten Elektronenstrahlen mittels
                      Plasma-Wakefield-Beschleunigung ausgearbeitet, mit dem
                      langfristigen Ziel, einen polarisierten Multi-GeV
                      Elektron-Positron-Collider zu entwickeln.},
      cin          = {PGI-6 / IKP-4},
      cid          = {I:(DE-Juel1)PGI-6-20110106 / I:(DE-Juel1)IKP-4-20111104},
      pnm          = {621 - Accelerator Research and Development (POF4-621)},
      pid          = {G:(DE-HGF)POF4-621},
      typ          = {PUB:(DE-HGF)11},
      url          = {https://juser.fz-juelich.de/record/906098},
}