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Study of Heavy Ion Beam Interaction with High Energy Laser Produced Plasmas

Imran, Muhammad :
Study of Heavy Ion Beam Interaction with High Energy Laser Produced Plasmas.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Study of Heavy Ion Beam Interaction with High Energy Laser Produced Plasmas
Language: English
Abstract:

Cryogenic solid-state targets of rare gases as well as nitrogen and deuterium have been developed for the measurements of the energy loss of heavy ions in dense, laser produced plasmas. Free-standing targets with a thickness of 1 cm to 1 mm and planar foil-supported targets with a thickness of few hundred of microns have been produced using interchangeable, remotely controlled target growing chambers. The geometry of the targets is determined by the geometry of the growing chamber. In addition to this, work has been contributed to the construction of the portable cryogenic system used for growing the rare gas, nitrogen and deuterium crystals.

The first laser plasma experiments were performed by irradiating free standing cubic nitrogen targets with the nhelix laser. Interferometric measurements revealed the electron density of the order of 10^{19} cm^-3. Additional experiments have been performed with thin foil-supported deuterium targets. The target foil was irradiated from both sides using the nhelix and PHELIX laser systems while the ion beam from UNILAC was used to study the interaction. The electron density values obtained for deuterium plasmas are similar to those for nitrogen plasmas. The outcome of these experiments paves the way to realize beam-plasma interaction experiments at Z6, employing cryogenic targets.

The projectiles of an ion beam transfer momentum and energy to the target particles by Coulomb interactions. The energy loss of the projectiles is therefore also dependent on the ionization energy of the targets. In plasmas the ionization energy of the target particles is determined by its temperature and density. With increasing plasma temperatures and pressures, one obtains a lowering of the ionization energy. This fact has already been established by several authors, however up to now the resulting approximations were too rough. Thus in the present work it is attempted to contribute to a more careful recalculation of the lowering of the ionization energy of dense hydrogen-like bound states.

For this purpose the Jacobi-Pade approximation of relative energy level shifts is applied. There the relative energy level shift of the five-fold ionized carbon is determined by the difference between Coulomb and Debye potential and by the kinetic energy of the particles. The shift caused by the kinetic energy has to be found considering the momentum space of the particles, so that nine-fold integrals in phase space have to be calculated. Quantum physically, former numerical calculations for the energy shift were only performed for particle states with zero angular momentum quantum numbers. Presently, a detailed, to a large extent analytical analysis of the shift caused by kinetic energy is given for any angular momentum quantum number enabling also an improved analysis of in future developed Jacobi-Pade formulae. The relative energy shifts of the bound-states of the five-fold ionized carbon are numerically obtained as function of the Mott parameter of the plasma. Dependencies of the shifts on main quantum numbers and orbital angular momentum quantum numbers are also discussed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Tieftemperatur-Festkörper-Targets aus Edelgasen sowie Stickstoff und Deuterium wurden für die Messung des Energieverlustes schwerer Ionen in dichten, lasererzeugten Plasmen entwickelt. Frei-stehende Targets einer Dicke von 1 cm bis 1 mm und ebene Folien-Targets der Dicke von einigen Hundert Mikrometer wurde produziert, wobei austauschbare, aus einer gewissen Entfernung kontrollierbare Zuchtkammern eingesetzt wurden. Die Geometrie der Targets wird dabei durch die Geometrie der Zuchtkammern bestimmt. Darüber hinaus wurde bei der Konstruktion von transportierbaren kryogenen Systemen mitgewirkt, die zur Herstellung von Edelgas-, Stickstoff- und Deuteriumkristallen eingesetzt werden. Die ersten Laserplasmaexperimente wurden durchgeführt, indem frei stehende kubische Stickstofftargets mit dem nhelix-Laser bestrahlt wurden. Mittels Interferometrie wurden Elektronendichten der Größenordnung von 10^19 cm^-3 festgestellt. Weitere Experimente wurden mit dünnen Deuterium-Folien durchgeführt. Die Targetfolien wurden von zwei Seiten aus bestrahlt, von einer mit dem nhelix- und von der anderem mit dem PHELIX-Laser-System. Der Ionenstrahl vom UNILAC wurde zur Untersuchung der Wechselwirkung herangezogen. Für das Deuteriumplasma und das Stickstoffplasma wurden ähnliche Elektronendichten festgestellt. Die Resultate der Experimente tragen dazu bei, dass in Zukunft am Z6 Strahl-Plasma-Wechselwirkungsexperimente mit Tieftemperatur-Targets durchgeführt werden können. Bei den Experimenten befördern die Projektile des Ionenstrahls mittels Coulomb-Wechselwirkung Impuls und Energie zu den Targetteilchen. Damit hängt der Energieverlust der Projektile auch von der Ionisationsenergie der Targets ab. Die Ionisationsenergie von Targetteilchen in Plasmen ist von Temperatur und Dichte des Plasmas abhängig. Mit zunehmender Plasmadichte und/oder -temperatur nimmt die Ionisationsenergie ab. Dieses Verhalten wurde bereits von verschiedenen Autoren theoretisch nachgewiesen. Die entsprechend abgeleiteten theoretischen Formeln beschreiben die Variationen der Ionisationsenergie aber noch recht ungenau. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit versucht, zu einer genaueren Berechnung der Erniedrigung der Ionisationsenergie wasserstoff-ähnlicher Bindungszustände in dichten Plasmen beizutragen. Dazu wird eine Jacobi-Pade-Approximation von Ebeling, Bornath und Kraeft für die Verschiebungen der Energieniveaus wasserstoff-ähnlichen Kohlenstoffs ausgewertet. Die relativen Shifts der verschiedenen Energieniveaus des fünffach geladenen Kohlenstoffions sind dabei durch die Differenz zwischen Coulomb- und Debye-Potential und durch die kinetische Energie der Teilchen bestimmt. Die Verschiebung der Energieniveaus infolge der kinetischen Energie wird im Impuls-raum beschrieben, so dass neunfache Integrale im Phasenraum zu berechnen sind. Frühere quantenphysikalische Berechnungen der Energieverschiebungen wurden nur für Energieniveaus mit der Nebenquantenzahl null durchgeführt. Hier wird detailliert dargestellt, wie man diese Rechnungen für beliebige Nebenquantenzahlen erweitern kann. Diese Herangehensweise ist auch für in Zukunft verbesserte Pade-Approximationen einsetzbar. Die numerischen Resultate für die relativen Verschiebungen der Energieniveaus der fünffach geladenen Kohlenstoff-ionen werden als Funktion des Mott-Parameters des Plasmas dargestellt. Die Abhängigkeit der Verschiebungen von den Haupt- und Nebenquantenzahlen wird diskutiert.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 27 Jul 2011 08:38
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26969
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H. and Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Refereed: 18 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2696
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