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Charakterisierung lasererzeugter Hohlraumstrahlung für die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit Plasmen

Heßling, Thomas :
Charakterisierung lasererzeugter Hohlraumstrahlung für die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit Plasmen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Charakterisierung lasererzeugter Hohlraumstrahlung für die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit Plasmen
Language: German
Abstract:

Ein Forschungsgebiet der Plasmaphysikgruppe des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH und der Laser- und Plasmaphysik AG des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt ist die Bestimmung des Energieverlusts von Schwerionen in Plasmen. Der Experimentierplatz Z6 an der GSI bietet hierfür die einzigartige Möglichkeit in der Kombination von Ionenstrahlen des UNILAC Beschleunigers mit zwei Hochenergielasersystemen: nhelix und PHELIX. In aktuellen Experimenten wird eine dünne Kohlenstofffolie von Ionenpulsen in regelmäßigen Abständen von 9,2 ns durchquert. Ein Laserpuls von einem, oder auch beiden, der Systeme verwandelt die Folie zu einer bestimmten Zeit in ein Plasma. Die Änderung in der Ankunftszeit der Ionen an einem Stoppdetektor gibt Aufschluss über den Energieverlust im Plasma. Neben diesem Messprinzip der direkten Heizung wird seit einiger Zeit das Schema der indirekten Heizung untersucht. Der Laser kann die Folie nicht durchdringen, sondern heizt diese nur an der Oberfläche, so dass Gradienten in Dichte und Temperatur entstehen. Die indirekte Heizung sieht einen Konverterhohlraum vor, in dem das Laserlicht in thermische Röntgenstrahlung umgewandelt wird. Ein sekundärer Hohlraum enthält das Wechselwirkungstarget für den Ionenstrahl und wird von der Röntgenstrahlung durchdrungen und homogen geheizt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das thermische Strahlungsfeld eines sphärischen Hohlraums mit 750 μm bzw. 650 μm Durchmesser untersucht. Als Heizlaser diente der frequenzverdoppelte nhelix Strahl (532 nm Wellenlänge) mit Energien bis zu 30 Joule und einer Pulsdauer von sechs bis sieben Nanosekunden Halbwertsbreite. Ein für die Temperaturmessung entworfenes Diodenspektrometer, dass bei vier Wellenlängen die Intensität des Röntgenlichts absolut misst, erlaubte die zeitaufgelöste Messung der Temperaturevolution im Hohlraum. Die thermische Strahlung ist nur während der Heizphase des Lasers existent und erreichte Spitzenwerte in der Temperatur zwischen 32 eV und 38 eV. Zusätzlich zur zeitlichen Charakterisierung wurde die Strahlung mit einem zeitintegrierenden Spektrometer vermessen. Die Beugungseffizienz des Gitters wurde durch Lösung der Maxwellgleichungen auf der Gitteroberfläche bestimmt. Mit dieser konnten die gemessenen Beugungsbilder, bei Annahme eines zeitintegrierten Planckschen Strahlers, sehr gut reproduziert werden. Die Temperaturen lagen im Bereich zwischen 33 eV und 36 eV in exzellenter Übereinstimmung mit den Messungen des Diodenspektromersters. Der Vergleich der experimentell gemessenen Temperaturen mit theoretischen Werten, die mit einem Skalierungsgesetz, das auf einer selbstähnlichen Lösung der hydrodynamischen Gleichungen beruht, berechnet worden sind, zeigt ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung. Neben den Parametern des Laserpulses und des Hohlraums gehen das Reflektionsvermögen der heißen Hohlraumwand (der Albedo) und die Konversionseffizienz von Laser- zu Röntgenlicht in das Modell ein. Ein Albedo von 0,75 und eine Konversionseffizienz von Laser- zu Röntgenenergie von 0,4 bis 0,5, die für die Berechnung angenommen wurden, sind konsistent mit veröffentlichten experimentellen Daten für die in dieser Arbeit verwendeten Laserparameter.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
One major area of interest of the plasma physics group at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) and the laser and plasma physics group at the Institut für Kernphysik (Nuclear Physics Institute) of the University of Technology Darmstadt is the determination of the energy loss of heavy ions in plasma. The experimental area Z6 at GSI offers the unique opportunity for this in the combination of the ion accelerator UNILAC with two high energy laser systems: nhelix and PHELIX. In recent experiments a thin carbon foil is probed by regular ion bunches every 9.2 ns. A laser pulse of one or both of the laser systems heats the foil to the plasma state at a certain time. The change in arrival time of each ion bunch at a stop detector allows to determine the energy loss in the plasma. In addition to this experimental scheme with a directly heated foil a different scheme with indirectly heated targets is investigated. The laser is unable to penetrate the foil and thus deposits its energy on the surface, leading to gradients in density and temperature. In the indirectly heated set-up the laser energy is converted into thermal X-Rays in a converter hohlraum. A secondary cavity, containing the interaction target for the ion beam, is attached to the converter and heated homogeneously by the X-Rays. In the present work the thermal radiation from a converter cavity with a diameter of either 750 μm or 650 μm was investigated. The frequency-doubled nhelix beam (532 nm wavelength) with energies of up to 30 joules in six to seven nanoseconds (FWHM) was used as the heating laser. A new diode spectrometer, specifically designed for the temperature measurement, recorded the absolute radiation intensity at four different wavelengths and resolved the temperature evolution during the heating phase. Maximum values between 32 eV and 38 eV have been determined in various measurements. In addition to the temporal characterisation the thermal radiation has also been recorded in a time-integrated manner with a regular spectrometer. The diffraction grating’s efficiency was calculated by solving the Maxwell equations on the grating surface. With this efficiency, and an assumed time-integrated Planckian spectral distribution, the measured spectra could be reproduced very well. The deduced temperatures were in the range of 33 eV and 36 eV in excellent agreement with the time-resolved measurements. The self-similar solution of the hydrodynamic equations, which describe the conversion process at the interior cavity wall, lead to a scaling law for the achievable temperatures in dependence of the experimental parameters. The measured temperatures are in good agreement with results obtained from this scaling law. Besides the geometrical parameters and the laser intensity, the wall’s re-emission coefficient (albedo) and the conversion efficiency of laser light to X-Rays play an important role. A value of 0.75 for the albedo and a conversion efficiency of 0.4 to 0.5 from laser light to X-Rays yield the measured temperatures. Both are in agreement with published values for the laser parameters.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 02 Mar 2010 13:57
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20750
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Refereed: 8 February 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2075
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