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Energieverlust und Umladung von schweren Ionen in lasererzeugten Plasmen

Frank, Alexander :
Energieverlust und Umladung von schweren Ionen in lasererzeugten Plasmen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Energieverlust und Umladung von schweren Ionen in lasererzeugten Plasmen
Language: German
Abstract:

Die Wechselwirkung schwerer Ionen mit Plasmen bildet einen der zentralen Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik der TU Darmstadt, die ihre Experimente am GSI Helmholtz- Zentrum für Schwerionenforschung GmbH durchführt. Diese Experimente werden zum einen durch grundlegende atomphysikalische Fragestellungen motiviert, zum anderen durch die schwerioneninduzierte Trägheitsfusion. Dem zweiten Punkt folgend bietet die Erzeugung von Plasmen durch Laser den Vorteil, dass mit ihnen sowohl hohe Dichten als auch hohe Temperaturen erzeugt werden können. Die in dieser Arbeit erzeugten Plasmen werden mit Hilfe der direkten Bestrahlung einer dünnen Kohlenstofffolie von 0,5 µm Dicke durch die beiden Hochenergielasersysteme Phelix und nhelix erzeugt. Mit diesem Verfahren werden Plasmatemperaturen von T=140-200 eV erreicht, gleichzeitig beträgt die Dichte des Targets bis zu drei Promille der Festkörperdichte. Dies hat zur Folge, dass die erzeugten Kohlenstoffplasmen bereits nach 7 ns in vollionisiertem Zustand vorliegen. Der experimentelle Aufbau wurde von der einseitigen Bestrahlung des Targets mit einem Hochenergielasersystem bei der Laserwellenlänge von 1,064µm zu einer gleichzeitigen Heizung des Targets von beiden Seiten mit Hilfe von Phelix und nhelix bei der doppelten Laserfrequenz modifizert. Diese Änderung führt dazu, wie anhand von 2D-Hydrodynamiksimulationen gezeigt wird, dass aufgrund des Anstiegs der kritischen Dichte der Anteil der durch Strahlung transportierten Wärme um einen Faktor drei ansteigt. Das hat eine globale Heizung des Targets zur Folge und reduziert den Einfluss von Inhomogenitäten im Laserfokusprofil auf den Plasmabildungsprozess deutlich. Diese Inhomogenitäten haben, wie im Rahmen der vorliegendem Arbeit gezeigt wird, einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der Daten der Vermessung von Energieverlust und Umladung. Während der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei Bestrahlung des Targets mit der Grundwellenlänge der Heizlaser wurde dort in vorangegangenen Experimenten ein zu Beginn dieser Arbeit physikalisch nicht verstandener Rückgang des Energieverlustes beobachtet. Mit dem neuen Versuchsaufbau konnte der Einfluss der Hydrodynamik des Targets auf die Energieverlust- und Ladungszustandsmessungen jedoch deutlich reduziert werden. Diese wirkt sich nur noch während der ersten 4 ns der Laser- Plasma-Wechselwirkung aus. Vorher war dies für die ersten 12 ns der Fall. Die Expansionseigenschaften des Plasmas konnten mit Hilfe eines neu-designten Multi-Frame-Interferometers charakterisiert werden. Dieses Interferometer erlaubt die Aufnahme von vier zweidimensionalen Elektronendichteverteilungen des Plasmas während einer Laser-Plasma-Wechselwirkung. Der zeitliche Abstand der Bilder untereinander beträgt dabei 2 ns. Dessen Ergebnisse wurden zur Optimierung von 2D-Hydrodynamiksimulationen genutzt. Diese sind notwendig, um sämtliche Plasmaparameter des Targets bestimmen zu können. Die Unterschiede in dem der Diagnostik zugänglichen Dichtebereich und den Simulationsrechnungen sind meist geringer als 20. Die Entwicklung eines auf polykristallinem Diamant basierenden Ladungsspektrometers erlaubt in dem durchgeführten Flugzeitexperiment sowohl die gleichzeitige Vermessung des Energieverlustes des Ionenstrahls im Plasma als auch seiner Ladungsverteilung nach Austritt aus dem Plasma. Es ermöglicht weiterhin die Bestimmung der Ladungsverteilung mit einer Genauigkeit von 6% pro Ladungszustand. In der genannten Konfiguration wurde für die Ladungsverteilung von Argonionen im Plasma ein Anstieg der hohen Ladungszustände bei gleichzeitiger Reduktion der Anteile niedriger Ladungszustände im Vergleich zum Festkörper gemessen. Im Vergleich zur kalten Folie steigt der mittlere Ladungszustand von 15,8 +- 0,1 auf 16,2 +- 0, 1. In Relation zu einem kalten Gas mit 15,1 ist dieser damit deutlich erhöht. Für den Energieverlust wird im direkten Vergleich zum Festkörper eine Erhöhung von bis zu 53% +- 4% im Plasma gemessen. Mit Hilfe dieser Diagnostik wurde eine Energieauflösung von \Delta E/E = 6 * 10^{-4} erreicht. Die oben erwähnte systematische Verbesserung des Experimentaufbaus im Rahmen dieser Arbeit erlaubte erstmals die Vermessung des Energieverlustes von schweren Ionen in einem lasererzeugten Kohlenstoffplasma ohne den bereits erwähnten Rückgang des Energieverlustes zu Beginn der Laser-Plasma-Wechselwirkung unter den Energieverlust des Festkörpers. Des Weiteren wird im Rahmen dieser Arbeit eine mikroskopische theoretische Beschreibung sowohl der Ladungsverteilung als auch des Energieverlustes entwickelt. Die Berechnung der Ladungsverteilung schwerer Ionen im Plasma basiert auf den Berechnungsroutinen für die verschiedenen Ionisations-, Anregungs- und Rekombinationsprozesse des Codes ETACHA. Diese Berechnungsroutinen werden im Rahmen dieser Arbeit für den Fall von teil- und vollionisierten Kohlenstoffplasmen erweitert. Weiterhin werden die relevanten Wirkungsquerschnitte für die Wechselwirkung mit freien Elektronen hinzugefügt. Die Berechnung der sich einstellenden Ladungsverteilungen erfolgt mit Hilfe eines Monte-Carlo- Ansatzes. Im Plasma sinkt der Wirkungsquerschnitt für die direkte Rekombination, wohingegen der Wirkungsquerschnitt für die direkte Ionisation leicht ansteigt. Die alleinige Betrachtung dieserWirkungsquerschnitte ist jedoch nicht ausreichend. Da die theoretische Beschreibung sowohl die verschiedenen Schalen des Projektils als auch des Targets berücksichtigt, ist auch das Studium der Auswirkungen gekoppelter Effekte auf die sich einstellenden Ladungsverteilungen möglich. So wird im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass im Fall des betrachteten Laserplasmas trotz des Anstiegs der Wirkungsquerschnitte für die direkte Ionisation aufgrund der Expansionseigenschaften des Targets die Ionisation über eine zuerst erfolgende Anregung stark gebundener Elektronen und anschließender Ionisation weitestgehend verschwindet. Dies hat eine Reduktion der Ionisationswahrscheinlichkeit des Projektils um einen Faktor zwei im Vergleich zum Festkörper zur Folge. Weiterhin ist aufgrund der geringeren Dichte des Plasmas im Vergleich zum Festkörper auch ein deutlicher Anstieg der Rekombinationswahrscheinlichkeiten aufgrund des effektiven Einfangs in höherenergetischere Schalen und anschließendem Zerfall des Niveaus in den Grundzustand zu verzeichnen. Erst ab Temperaturen von ca. 80 eV im Kohlenstoffplasma sinkt die sich tatsächlich einstellende Rekombinationsrate unter das Niveau des Festkörpers und die Veränderung der Wirkungsquerschnitte für die direkten Ionisations- und Rekombinationsprozesse bestimmen die sich einstellende Ladungsverteilung. Die theoretische Beschreibung der Ladungsverteilung wird anschließend mit dem differentiellen Energieverlust im Plasma verknüpft. Eine modifizierte Version des CasP-Codes erlaubt die Berechnung des Energieübertrags sowohl an gebunde Elektronen eines Ions als auch an ein freies Elektronengas. Beide Fälle werden im Rahmen eines Oszillatormodells beschrieben. Dabei wird sowohl die Abschirmung des Projektils für jeden sich einstellenden Ladungszustand durch gebundene Elektronen berücksichtigt als auch die Stoßparameterabhängigkeit des Energieverlustes. Es ist an keiner Stelle die Einführung einer nichtphysikalischen effektiven Ladung des Projektils notwendig. Die Verknüpfung mit dem tatsächlichen Ladungszustand des Ions erlaubt die mikroskopische Berechnung des Energieverlustes für jedes Teilchen an jeder Stelle in jedem Zustand im Target. Im Fall der im Experiment erzeugten Laserplasmen sagt die Theorie einen maximalen Anstieg des differentiellen Energieverlustes um einen Faktor zwei im Vergleich zum Festkörper voraus. Im Vergleich zu einem kalten Gas mit gleichen Parametern verursacht dabei der Anstieg des Ladungszustandes des Projektils im Target eine Erhöhung des Energieverlustes von etwa 12%. Der effektivere Energieübertrag an freie Elektronen aufgrund der geringeren Anregungsenergie des entsprechenden Oszillators macht mit 88% den sehr viel größeren Anteil aus. Der Vergleich zwischen den theoretisch berechneten Werten und den experimentellen Daten ergibt im Fall der Ladungsverteilungen eine gute, im Fall des Energieverlustes eine hervorragende Übereinstimmung. Im zweiten Fall beträgt die Standardabweichung zwischen experimentellen und theoretisch berechneten Werten im Plasma 0,2MeV, was je nach eingenommenem Energieverlustwert zwischen sechs und zehn Prozent Abweichung bedeutet. Dies entspricht den Fehlerbalken des Experiments. Demzufolge liefert die vorliegende Arbeit sehr präzise experimentelle Daten über den Energieverlust von Argonionen bei einer Energie von 4MeV/u in einem heißen Kohlenstoffplasma und bietet gleichzeitig eine mikroskopische theoretische Beschreibung der dem Experiment zugrunde liegenden physikalischen Prozesse.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The interaction of heavy ions with plasmas is one of the main fields of research of the laser and plasma physics group at TU Darmstadt. The experiments are conducted at the GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung GmbH. They are motivated by fundamental problems of atomic physics and heavy ion fusion. Concerning the second application, the generation of plasmas with high energy laser systems allows to produce high densities and high temperatures and the target is probed by the heavy ion beam to study the interaction. In this thesis, the plasma is created by directly irradiating a thin carbon foil from two sides with the laser systems nhelix and Phelix. This setup allows to produce plasma temperatures of 140-200 eV while the ion density of the target is still up to 3 per mill of the solid density. Hence the target is transformed into a fully ionized state within 7 ns. The former setup in which the target was heated by only one of the two laser systems from one side at 1.064/1.053 µm was modified to a two-sided irradiation using both laser systems with frequency-doubled heating pulses. Consequently the critical density is increased which leads to a larger energy transfer of laser energy into radiation. As shown with 2D hydrodynamic simulations the contribution of radiation to the whole heating process is increased by a factor of three. Hence the target is heated more volumetrically which significantly decreases the impact of inhomogeneities in the laser focus profile on the plasma formation process. With the former setup these laser-induced inhomogeneities had a strong influence on the quality of the experimental data for the energy loss in earlier campaigns. This effect was not understood at the time of the beginning of this thesis. With the new setup the influence both in amplitude as well as in time is reduced from 12 ns to 4 ns. The expansion of the plasma is characterized by a re-designed multi-frame interferometer which allows to record four images of the electron density distribution, each separated by 2 ns, during one laser-plasma interaction. The results are used to optimize 2D hydrodynamic simulations which are utilized to obtain all plasma parameters needed. The differences between the values of the diagnostics and of the simulations are within 20%. The development of a heavy ion charge state spectrometer based on polycrystalline diamond allows the recording of both the heavy ion beam’s energy loss and its charge state distribution after having penetrated the plasma. A precision of 6% per charge state is achieved in the experiments. Using the experimental setup described above, an increase of the mean charge state for argon ions to 16.2 +- 0.1 compared to the solid state with 15.8 +- 0.1 is recorded. This means a significant increase in relation to the gaseous state with 15.1. For the energy loss measurements an energy resolution of the ion beam of \Delta E/E = 6*10^{-4} is achieved. In direct comparison to the solid state at the beginning of the experiment an increase of the energy loss of up to 53% +- 4% is measured. For the first time no decrease of the energy loss below the solid state level at the beginning of the laser-plasma interaction is observed due to the systematic improvement of the experimental setup. In addition, this thesis presents a microscopic theoretical description of both the evolution of the charge state distribution and the energy loss. The determination of the charge state distribution is based on the calculation routines of the code ETACHA describing the different processes for ionization, excitation and recombination. These routines are extended in this thesis to describe the case of partially and fully ionized carbon plasmas. Furthermore, the relevant cross sections for collisions with free electrons are added to the code. The resulting charge state distributions are calculated using a Monte-Carlo approach. In the plasma the cross sections for direct recombination are decreased while the cross sections for direct ionization are increased. However, considering only these direct dependencies is not sufficient. The theoretical description takes the different shells of both the projectile and the target into account. This allows to study the influence of coupled processes on the resulting charge state distribution. In the case of the laser-plasmas generated in this thesis, the cross sections for direct ionization increase but the probability for the channel of an initial excitation of a strongly bound electron into a more weakly bound state and a subsequent ionization diminishes. This leads to a decrease of the ionization probability of a factor of two compared to the solid state. In addition, a much higher probability for recombination in the plasma is calculated. Due to the lower density the recombination into more weakly bound states with a following decay into the ground state is much more pronounced. Only for temperatures higher than 80 eV in the carbon plasma the effective recombination rate decreases below the level of the solid state and the changes in the direct ionization and recombination govern the evolution of the resulting charge state distribution. The theoretical description of the charge state distribution is subsequently connected to the stopping power in the plasma. A modified version of the CasP code allows the calculation of the energy-transfer to both bound and free electrons. Both cases are described by assuming harmonic oscillators. The screening of the projectile by bound electrons is included for every charge state of the heavy ion as well as the impact-parameter dependence of the energy loss. Within this method no unphysical effective charge description is used at any point. The use of the real charge state of the heavy ion allows the microscopic description of the stopping power at every point in the target. In the plasma generated in the experiment, the theory predicts an increase of up to a factor of two compared to the solid state. In comparison to a cold gas with the same parameters the higher mean charge state leads to an increase of the stopping power of 12%. The more efficient energy-transfer to free electrons due to the lower excitation energy of the corresponding oscillator leads to an increase of 88% and is hence much more important in this case. With regard to the charge state distribution, the comparison between the theoretical values and the experimental data leads to a good agreement, in case of the energy loss the agreement is excellent. In the second case, the standard deviation between experimental and theoretical data in the plasma is 0.2MeV which corresponds to a deviation of 6-10% depending on the absolute value of the energy loss. This means the deviations are of the same size as the error bars in the experiment. In conlusion, this thesis presents very precise experimental data on the energy loss of argon ions in a hot carbon plasma as well as a theoretical description of the experiment and its underlying physical processes.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 25 Jan 2012 10:39
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28711
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter
Refereed: 28 November 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2871
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