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Measurement of the Energy Loss of Heavy Ions in Laser-produced Plasmas

Knobloch-Maas, Renate :
Measurement of the Energy Loss of Heavy Ions in Laser-produced Plasmas.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Dissertation zum Thema Energieverlust schwerer Ionen in lasererzeugten Plasmen von Renate Knobloch-Maas - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Measurement of the Energy Loss of Heavy Ions in Laser-produced Plasmas
Language: English
Abstract:

The interaction of ions with plasma is not yet fully understood today, although it is important for inertial fusion technology. During recent years, the energy loss of heavy ions in plasma has therefore been a subject of research in the Laser and Plasma Physics group of Darmstadt University of Technology. Several experiments were carried out at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt using laser-created plasma, thereby taking advantage of the unique combination of GSI's accelerator facility and the laser system nhelix, which is also described in this work. The experiments focus on the measurement of the energy loss of medium heavy ions in a plasma created by directly heating a thin carbon foil with the nhelix laser, at an energy of about 50 J. In order to measure the energy loss using a time-of-flight method, a stop detector is used to register the arrival of the ion pulses after passing the plasma and a 12 m drift space. At the beginning of the work on this thesis, the ion detector types formerly used were found to be inadequately suited to the difficult task; this was changed during this thesis. The ion detector has to be able to temporarily resolve ion pulses with a frequency of 108 MHz and a width (FWHM) of 3 ns at a very low current. It also has to withstand the X-ray burst from the plasma with a dead time shorter than the difference between the X-ray and the ion time of flight between the plasma and the detector. In order to satisfy these and other demands, a new diamond detector was designed and has now been used for several measurements. In addition to the new detector, other improvements were made concerning the diagnostics and the laser. The laser-created plasma now reaches a maximum temperature exceeding 200 eV and a free electron density of up to 10^22 cm^-3. With this greatly improved setup, energy loss data could be obtained with a temporal resolution several times better than before, using an ion beam with a diameter of only 500 µm. Additionally, thin foils of 0.5 µm thickness could be used, compared to 1.5 µm used before. These foils are very quickly turned into a fully ionized plasma by the laser pulse, so the resulting plasma is more homogeneous than with thicker foils. With the previous detectors, thicker foils had to be used due to the lower detector resolution. The newly acquired energy loss data exhibits some unusual characteristics. At the beginning of the interaction of laser and plasma, the energy loss first decreases, then increases again, up to an energy loss 30% higher than the energy loss in the cold matter, then continues to decrease slowly. Several changes were made to study possible explanations for this behavior, including a change in the geometry of the setup to investigate whether fields could be responsible for the decrease.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Während der letzten Jahre war der Energieverlust von schweren Ionen in Plasma ein Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik der Technischen Universität Darmstadt. Mehrere Experimente mit lasererzeugten Plasmen wurden bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt durchgeführt, da die GSI die einmalige Kombination einer Beschleunigeranlage und des in dieser Arbeit ebenfalls beschriebenen Lasersystems nhelix an einem Experimentierplatz bietet. Die Experimente konzentrieren sich auf die Messung des Energieverlustes mittelschwerer Ionen in einem Plasma, das durch direkte Heizung einer dünnen Kohlenstoff-Folie mit dem nhelix-Laser bei einer Laserenergie von etwa 50 J erzeugt wird. Da der Energieverlust mit Hilfe einer Flugzeitmessung ermittelt wird, dient ein Stopdetektor zum Aufzeichnen der Ionenpulse, nachdem diese das Plasma und eine 12 m lange Driftstrecke durchquert haben. Zu Beginn dieser Arbeit wurde klar, dass die zuvor benutzten Detektortypen ihrer Aufgabe nicht gerecht werden konnten; dies wurde im Verlauf dieser Arbeit geändert. Der Stopdetektor muss in der Lage sein, Ionenpulse mit einer Frequenz von 108 MHz und einer Halbwertsbreite von 3 ns bei sehr niedrigem Teilchenstrom zeitlich aufzulösen. Er muss ebenfalls auf den Röntgenpuls aus dem Plasma mit einer Totzeit reagieren, die kürzer ist als die Differenz zwischen der Flugzeit des Röntgenlichts und der Ionen zwischen dem Plasma und dem Detektor. Um diese und andere Anforderungen zu erfüllen, wurde ein neuer Diamantdetektor entwickelt, der seitdem für einige Messungen verwendet wurde. Zusätzlich zu dem neuen Detektor wurden auch die Diagnostik und der zum Heizen der Folie benutzte Laser verändert und verbessert. Das lasererzeugte Plasma erreicht nun eine Maximaltemperatur über 200 eV und eine Dichte freier Elektronen von bis zu 10^22 cm^-3. Mit diesem stark verbesserten Experimentaufbau konnten Energieverlustdaten mit einer sehr viel besseren Auflösung als zuvor gemessen werden, mit einem Ionenstrahldurchmesser von nur 500 µm. Mit dem neuen Detektor konnten dünnere Folien einer Dicke der Grössenordnung 100 µg/cm^2 benutzt werden. Diese Folien werden sehr schnell in völlig ionisiertes Plasma verwandelt. Mit den alten Detektoren mussten dickere Folien verwendet werden, da die Detektoren nicht in der Lage waren, die nötige Auflösung für die dünnen Folien zu liefern. Die neu gemessenen Energieverlustdaten zeigen ein unerwartetes Verhalten. Am Anfang der Laser-Plasma-Wechselwirkung sinkt der Energieverlust zunächst stark, steigt dann wieder auf einen gegenüber dem Energieverlust in der kalten Folie bis zu 30% erhöhten Wert, und sinkt dann wieder langsam weiter ab. Um Erklärungen für dieses Verhalten zu finden, wurden mehrere Änderungen durchgeführt, unter anderem eine Umkehr der Experimentgeometrie, um zu klären, ob Felder für das Absinken des Energieverlusts verantwortlich sein könnten.German
Uncontrolled Keywords: Energieverlust
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
EnergieverlustGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 11 Dec 2009 12:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19969
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H.
Refereed: 25 November 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1996
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