The work described in this thesis is concerned with the experimental investigation of the acceleration of high energy proton pulses generated by relativistic laser-plasma interaction and their application. Using the high intensity 150 TW Ti:sapphire based ultra-short pulse laser Draco, a laser-driven proton source was set up and characterized. Conducting experiments on the basis of the established target normal sheath acceleration (TNSA) process, proton energies of up to 20 MeV were obtained. The reliable performance of the proton source was demonstrated in the first direct and dose controlled comparison of the radiobiological effectiveness of intense proton pulses with that of conventionally generated continuous proton beams for the irradiation of in vitro tumour cells. As potential application radiation therapy calls for proton energies exceeding 200 MeV. Therefore the scaling of the maximum proton energy with laser power was investigated and observed to be near-linear for the case of ultra-short laser pulses. This result is attributed to the efficient predominantly quasi-static acceleration in the short acceleration period close to the target rear surface. This assumption is furthermore confirmed by the observation of prominent non-target-normal emission of energetic protons reflecting an asymmetry in the field distribution of promptly accelerated electrons generated by using oblique laser incidence or angularly chirped laser pulses. Supported by numerical simulations, this novel diagnostic reveals the relevance of the initial prethermal phase of the acceleration process preceding the thermal plasma sheath expansion of TNSA. During the plasma expansion phase, the efficiency of the proton acceleration can be improved using so called reduced mass targets (RMT). By confining the lateral target size which avoids the dilution of the expanding sheath and thus increases the strength of the accelerating sheath fields a significant increase of the proton energy and the proton yield was observed.

Durch die Fokussierung eines ultrakurzen und hochintensiven Laserpulses auf ein Festkörpertarget können Pulse von Protonen und anderen positiv geladenen Ionen mit Teilchenenergien von einigen MeV pro Nukleon erzeugt werden. Die Charakterisierung dieser Teilchenstrahlung erfordert die Identifizierung der Ionenspezies und die Bestimmung ihrer spektralen Verteilung möglichst nach jedem Puls. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei Spektrometer entwickelt und am DRACO-Lasersystem des Forschungszentrums Dresden implementiert. Neben der Inbetriebnahme eines Thomson-Spektrometers mit einer Mikrokanalplatte und einem Fluoreszenzschirm als Auslese erfolgte die Entwicklung eines Flugzeitspektrometers. Die Verwendung einer Mikrokanalplatte mit nur 180ps Anstiegszeit als Signalverstärker sorgt darin für eine verbesserte Energieauflösung und einen flexibleren Einsatz im Experimentierbetrieb. Ein dem Flugzeitsignal überlagertes Störsignal, welches durch die Einstreuungen eines elektromagnetischen Impulses in den Aufbau verursacht wurde, konnte erfolgreich durch die Anwendung verschiedener Filter unterdrückt werden. Als Ergebnis dieser Arbeit steht eine anwendungsbereite Diagnostik für laserbeschleunigte Protonen und Ionen zur Verfügung. / By focusing an ultra-short high-intensity laser pulse on a solid target, pulses of protons and other positive charged ions with energies of several MeV per nucleon are generated. It is necessary to identify the species of those particles and obtain their energy spectra in a single-shot regime. Within this diploma thesis two spectrometers have been developed and implemented in the DRACO-laboratory of the Forschungszentrum Dresden. Besides a Thomson spectrometer with read-out via microchannel plate and phosphor screen, a time-of-flight spectrometer was developed. The usage of a microchannel plate with 180ps rise time as a signal amplifier leads therein to a better energy resolution and a more flexible handling in experimental operation. A noise signal generated by stray pick-up of an electromagnetic pulse and superimposing the time-of-flight signal was considerably reduced by the application of different filters. As a result of this work a ready-to-use diagnostic for laser accelerated protons and ions is available.

Durch die Fokussierung eines ultrakurzen und hochintensiven Laserpulses auf ein Festkörpertarget können Pulse von Protonen und anderen positiv geladenen Ionen mit Teilchenenergien von einigen MeV pro Nukleon erzeugt werden. Die Charakterisierung dieser Teilchenstrahlung erfordert die Identifizierung der Ionenspezies und die Bestimmung ihrer spektralen Verteilung möglichst nach jedem Puls. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei Spektrometer entwickelt und am DRACO-Lasersystem des Forschungszentrums Dresden implementiert. Neben der Inbetriebnahme eines Thomson-Spektrometers mit einer Mikrokanalplatte und einem Fluoreszenzschirm als Auslese erfolgte die Entwicklung eines Flugzeitspektrometers. Die Verwendung einer Mikrokanalplatte mit nur 180ps Anstiegszeit als Signalverstärker sorgt darin für eine verbesserte Energieauflösung und einen flexibleren Einsatz im Experimentierbetrieb. Ein dem Flugzeitsignal überlagertes Störsignal, welches durch die Einstreuungen eines elektromagnetischen Impulses in den Aufbau verursacht wurde, konnte erfolgreich durch die Anwendung verschiedener Filter unterdrückt werden. Als Ergebnis dieser Arbeit steht eine anwendungsbereite Diagnostik für laserbeschleunigte Protonen und Ionen zur Verfügung. / By focusing an ultra-short high-intensity laser pulse on a solid target, pulses of protons and other positive charged ions with energies of several MeV per nucleon are generated. It is necessary to identify the species of those particles and obtain their energy spectra in a single-shot regime. Within this diploma thesis two spectrometers have been developed and implemented in the DRACO-laboratory of the Forschungszentrum Dresden. Besides a Thomson spectrometer with read-out via microchannel plate and phosphor screen, a time-of-flight spectrometer was developed. The usage of a microchannel plate with 180ps rise time as a signal amplifier leads therein to a better energy resolution and a more flexible handling in experimental operation. A noise signal generated by stray pick-up of an electromagnetic pulse and superimposing the time-of-flight signal was considerably reduced by the application of different filters. As a result of this work a ready-to-use diagnostic for laser accelerated protons and ions is available.