Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine mehrschichtige Festkörperprobe, im folgenden Target genannt, als Röntgenquelle mit frontseitigen Modifikationen für eine optimale Laser-Target-Kopplung entwickelt. Die Erprobung dieses neuartigen Targets erfolgte am Lasersystem PHELIX am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Durchgeführt wurde diese Dissertation in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt.

Röntgenstrahlung ist ein unschätzbares Werkzeug für die Diagnose von Zuständen hoher Energiedichte (high energy density (HED)). Intensive Röntgenemission kann unter anderem durch die Bestrahlung von Targets mit hochenergetischen Kurzpulslasern mit Intensitäten über 10^18 W cm^−2 erzeugt werden. Der resultierende Photonenfluss liegt in der Größenordnung von 10^10 - 10^11 ph J^−1 innerhalb einer engen spektralen Bandbreite. Zu den möglichen Anwendungen einer solchen Quelle gehören Radiographie und Streustudien an dichten Plasmen, um wichtige thermodynamische Größen wie Temperatur oder Dichte zu bestimmen. Hauptsächlich werden zwei Arten von lasergetriebenen Strahlungsquellen verwendet, die sich durch den Ionisierungsgrad des emittierenden Materials unterscheiden lassen. Bei schwacher Ionisierung ist das Spektrum dem der charakteristischen Röntgenstrahlung sehr ähnlich und wird als Kα Strahlung bezeichnet. Mit zunehmender Ionisierung steigt auch die Energie der Röntgenstrahlung, was bei stark ionisierten Quellen zu thermischer Linienemission führt. Bei Photonenenergien jenseits von 10 keV kann die thermische Linienemission mit laserbetriebenen Quellen jedoch nicht effizient erzeugt werden, da für schwerere Elemente immer mehr Elektronen ionisiert werden müssen. Daher wird für die Emission hochenergetischer Linien eine lasergetriebene Kα Quelle bevorzugt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige lasergetriebene Kα Quelle entwickelt und erfolgreich getestet. Zwei Ziele wurden für diese Arbeit definiert. In erster Linie sollte eine Verbesserung des Energietransfers vom Laser zum Target erreicht werden, um die Anzahl der emittierten Kα Photonen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden frontseitige Modifikationen in Form von kegelförmigen Mikrostrukturen eingesetzt. Zweitens sollte eine thermische Isolierung des emittierenden Materials von der Wechselwirkungsregion des Laserplasmas erreicht werden. Dadurch wird ein sauberes Spektrum ohne zusätzliche thermische Linienemission erzeugt. Dies wurde durch den Aufbau des Targets aus zwei Schichten erreicht, nämlich die bereits erwähnte Modifikation auf der Vorderseite und eine Rückseitenschicht aus einem anderen Material für die Strahlungsemission.

Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Targets wurde in einem Experiment mit dem Lasersystem PHELIX untersucht. Die beobachteten Spektren des Targets zeigten eine erfolgreiche Unterdrückung der thermischen Linienemission, was auf eine effektive thermische Isolierung hindeutet. Dieses Ergebnis wird durch eine spektroskopische Analyse der Linienform zur Bestimmung der mittleren Elektronentemperatur innerhalb des emittierenden Materials unterstützt. Es wurden Temperaturen im Bereich von 31 - 42 eV festgestellt, was auf eine schwache Ionisierung ohne Beteiligung der beiden innersten Elektronenschalen hinweist.

Die Gesamtzahl der Kα Photonen wurde in der Größenordnung von 10^10 ph J^−1 gemessen. Es wurde eine deutliche Zunahme der Kα Photonen um den Faktor 2 - 3 aufgrund der Mikrostrukturen auf der Vorderseite nachgewiesen. Die Quellgröße der Targets wurde auf 140 - 200 μm bestimmt. Die Ausrichtung der kegelförmigen Mikrostrukturen in Bezug auf den Laser wurde ebenfalls variiert und zeigte einen deutlichen Einfluss auf die Kα Ausbeute und Quellengröße. Bei einer parallelen Ausrichtung wurde die höchste Photonendichte von 3.9 × 10^11 ph J^−1 mm^−2 gemessen. Atomare Strahlungssimulationen wurden erfolgreich genutzt um die Elektronentemperatur in der Rückseitenschicht auf 31 - 42 eV zu bestimmen.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal des mehrschichtigen Targets ist die Möglichkeit, die Größe der Quelle durch die Formung der Rückseitenschicht zu beeinflussen. Für kreisförmige Rückseitenschichten mit einem Durchmesser von 100 μm konnte die Quellgröße erfolgreich auf ebendieses Maß reduziert werden. Mit diese Targets konnte ebenfalls gezeigt werden, dass es möglich ist zwei räumlich getrennte, unterschiedliche Quellen mit einem Target zu erzeugen.