Ziel dieser Arbeit war es, ein Energieverlustexperiment mit der Laser Ion Generation Handling and Transport (LIGHT) Strahlführung, einer lasergetriebenen Ionenstrahlführung am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), zu planen und vorzubereiten. Dafür wurde eine detaillierte Modellierung sowie die Demonstration der Machbarkeit des Experiments durchgeführt. In dem von mir geplanten Experiment wird die LIGHT-Strahlführung so konfiguriert, dass sie Kohlenstoffionenstrahlen (C⁴⁺) und Protonenstrahlen mit einem Energie-zu-Masse-Verhältnis von 0,6 MeV/u selektiert und transportiert. Diese Ionen werden mit dem Petawatt High Energy Laser for Ion eXperiments (PHELIX) beschleunigt und über zwei Solenoide transportiert. Im Anschluss erfolgt eine zeitliche Kompression der Projektilpakete mittels einer Radiofrequenz-Kavität (RF), um die kürzest mögliche Paketlänge zu erreichen, um das transiente Plasma so exakt wie möglich zu untersuchen. Die Erzeugung des Plasmatargets erfolgt mit dem im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten und verbesserten Nanosecond High Energy Laser for Ion eXperiments (nhelix). Der nhelix-Laser wird eine Kohlenstofffolie mit einer Flächendichte von 100 μg/cm² von beiden Seiten mit einer Energie von jeweils 30 J bestrahlen. Die Pulslänge beträgt 7 ns und die Wellenlänge ist 527 nm. Das resultierende Plasma wird eine Dichte freier Elektronen von 3 · 10²⁰ cm⁻³ und eine Temperatur von 180 eV aufweisen, was zu einer Projektilgeschwindigkeit nahe der thermischen Geschwindigkeit der Plasmaelektronen führt (vₚ ≈ vₜₕ). In diesem Bereich liegt das maximale Bremsvermögen, und die theoretischen Beschreibungen des Bremsvermögens weisen die größten Diskrepanzen auf. Das lasererzeugte Plasma wird mit einer interferometrischen Messung der Dichte der freien Elektronen diagnostiziert. Die Entwicklung, der Bau und die erfolgreiche Erprobung des interferometrischen Aufbaus wurden während dieser Arbeit von mir beaufsichtigt.

Ich habe das geplante Energieverlustexperiment modelliert, beginnend mit dem Transport des Ionenstrahls, über die Simulation des laserbeheizten Plasmatargets bis zur Wechselwirkung des Ionenstrahls mit dem Plasma, sowohl in Bezug auf den Energieverlust als auch auf den Ladungszustand. Zur Vorhersage der resultierenden Strahlcharakteristiken und der erforderlichen Strahlführungseinstellungen wurden Strahlführungssimulationen durchgeführt. Die endgültigen simulierten Strahlbündel wiesen eine zeitliche Bündelbreite von 300–340 ps und eine Fokusgröße von 4,5–5,5 mm am Plasmatarget auf. Das Plasma wurde mit dem hydrodynamischen Code MULTI2D modelliert. Eine maximale Temperatur von 180 eV und eine Dichte freier Elektronen in der Größenordnung von 10²⁰ cm⁻³ wird nach 7,75 ns erreicht. Hier ist das Plasma longitudinal homogen. Im innersten Bereich, wo der Projektilstrahl das Plasma durchquert, wird nach 8 ns eine transversale Homogenität erreicht. Die Wechselwirkung des Ionenstrahls mit dem Plasmatarget wurde dann auf der Grundlage verschiedener theoretischer Modelle zur Beschreibung des Bremsvermögens modelliert. Eine zweidimensionale Simulation des gesamten Experiments wurde erfolgreich durchgeführt. Im Stoppmaximum sagen die Modelle für das Bremsvermögen einen erhöhten Energieverlust von 185 –230 % für Protonen und 230–290 % für Kohlenstoffionen im Vergleich zum Energieverlust in einem festen Target voraus. Um zwischen fünf verschiedenen theoretischen Modellen für das Bremsvermögen zu unterscheiden, wurde bestimmt, dass eine erforderliche Energieauflösung von 11 % ausreicht, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Die zweidimensionalen Simulationen wurden eingesetzt, um die optimale Blendengröße für den Projektilstrahl in den Energieverlustexperimenten zu ermitteln, was zu einem Durchmesser von 0,5 mm führte.

Die Leistungsfähigkeit der Strahlführung wurde durch den Transport und die zeitliche Kompression von Kohlenstoffionen (C⁴⁺) mit einer Energie von (7,2 ± 0,2) MeV auf eine Bündeldauer von (1,23 ± 0,04) ns (Halbwertsbreite) experimentell nachgewiesen. Der Durchmesser des Fokus betrug (4,11 ± 0,02) mm, während das komprimierte Bündel abgeschätzt (2,0 ± 0,6) · 10⁸ Ionen umfasste. Des Weiteren wurden Protonen mit einer Energie von (0,63 ± 0,01) MeV transportiert und zeitlich auf eine Bündeldauer von (0,76 ± 0,04) ns komprimiert. Der Fokus hatte einen Durchmesser von (2,82 ± 0,03) mm und das Bündel enthielt abgeschätzt (5,9 ± 0,4) · 10⁸ Protonen. Im Rahmen dieser Studie wurden Projektilstrahlen mit einer Länge verwendet, die fünf bis sieben Mal kürzer ist als die in früheren Experimenten mit Linearbeschleunigern. Dies führt zu einer kürzeren Mittelungszeit über sich in Nanosekunden ändernde Plasmaparameter. Die abgeschätzte Teilchenzahl liegt um zwei bis drei Größenordnungen höher als in ähnlichen Experimenten. Dies führt zu einer höheren möglichen Flugzeitdistanz in der Energiemessung und damit zu einer höheren Energieauflösung. Die transportierten Strahlen wurden zur Durchführung von Energieverlustexperimenten in einer festen Kohlenstofffolie verwendet, um die Durchführbarkeit des geplanten Experiments zu demonstrieren. Der gemessene Energieverlust für Protonen betrug dE = (29 ± 6) keV, während der gemessene Energieverlust für Kohlenstoffionen dE = (61 ± 10) keV betrug. Die beiden Werte stimmen mit den vorhergesagten Werten des SRIM-Codes (Stopping and Range of Ions in Matter) überein. Die Messungen lassen auf eine Unsicherheit von 7 % für Protonen und 6 % für Kohlenstoffionen in den Energieverlustmessungen mit dem Plasmatarget schließen. Die vorbereitenden Experimente demonstrieren die Durchführbarkeit des geplanten Energieverlustexperiments, welches aussagekräftige Daten für den Vergleich von Theorien zum Bremsvermögen liefern wird.