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Untersuchung lasergeheizter Plasmen für Wechselwirkungsexperimente von Schwerionen mit ionisierter Materie

Geißel, Matthias :
Untersuchung lasergeheizter Plasmen für Wechselwirkungsexperimente von Schwerionen mit ionisierter Materie.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung lasergeheizter Plasmen für Wechselwirkungsexperimente von Schwerionen mit ionisierter Materie
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurde erstmalig eine umfassende Beschreibung des Plasmatargets durchgeführt, das an der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH (GSI) in Darmstadt für Wechselwirkungsexperimente mit Schwerionenstrahlen eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um Folien von 4,5-5µm Dicke, die mit dem nhelix-Lasersystem beschossen werden. Die Arbeit stellt eine konsequente Erweiterung der Untersuchungen zum Energieverlust schwerer Ionen in Laserplasmen von Roth und zu der Ladungszustandsverteilung von Schwerionenstrahlen in lasererzeugten Plasmen von Sü"s dar. Verbesserte spektroskopische Methoden und neue Instrumente führten mit dieser Arbeit zu der bisher noch nicht verfügbaren Beschreibung der räumlichen und zeitlichen Temperaturentwicklung des Plasmas. Damit ist künftig eine genauere Modellierung der Wechselwirkungsprozesse möglich. Darüber hinaus wurden durch diese Messungen auf alternativem Wege Daten zur Expansionsdynamik ermittelt, die die Annahme einer vorwiegend eindimensionalen Expansion bestätigen. Eine solche Annahme ist Grundvoraussetzung für die bisher benutzten Modelle zur Wechselwirkung schwerer Ionen mit Materie. Der Einsatz von sphärisch gebogenen Kristallen ermöglichte eine räumliche Aufl\ösung von Spektren des Targets bei einer spektralen Auflösung von 1E3 und höher. Da die Wellenlänge von Kohlenstoff-Spektrallinien grundsätzlich zu groß für Kristallspektrometer ist, wurde die Umstellung auf ein modifiziertes Target nötig. Die Verwendung von Teflon (CF2) anstelle von Kohlenstoff ermöglichte den Einsatz von Glimmerkristallen, die die helium- und wasserstoffähnlichen Spektrallinien von Fluor in erster Ordnung abbilden können. Es wurde gezeigt, dass im Kerngebiet des Targetplasmas Temperaturen von kT=150-200eV bei mittleren Elektronendichten von etwa 3E20/cm^3 erreicht werden. Ein Vergleich des Energieverlustes von Schwerionen in Kohlenstoff und in Teflon erzielte im Rahmen eines Fehlers von ca. 10% die gleichen Resultate von dE(Plasma)= 900 keV/u bei Werten von 485 bzw. 501 keV/u in der kalten Folie. Dies verstärkt die Relevanz der spektroskopischen Aussagen für frühere Experimente und empfiehlt einen Einsatz von Fluor im Targetmaterial für zukünftige Experimente. Im Rahmen der hier dargestellten Arbeit wurde dar\über hinaus ein Spektrometer f\ür den fernen Ultraviolettbereich (XUV) konstruiert, das mit Gittern variabler Strichabstände in streifendem Einfall bei 1-30nm Wellenl\änge betrieben werden kann. Das konzeptionelle Design dieses Spektrometers ermöglichte den Anbau einer R\öntgen-Schmierbildkamera ("Streak-Kamera"), mit der die zeitliche Entwicklung des Spektrums untersucht wurde. Zur Interpretation der aufgenommenen Spektren wurde ein reduziertes Modell zur Simulation von Spektren erstellt, das auf einem modifizierten Ionisationsmodell aus der Literatur und einigen grundsätzlichen, atomphysikalischen Überlegungen basiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis a comprehensive characterization of the plasma target, that is used for interaction experiments with heavy ion beams at the Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH (GSI) in Darmstadt, is given. The target consists of a foil with a thickness of 4.5-5µm being heated by the nhelix laser system. This thesis is a consequent extension of investigations of the energy loss of heavy ions in laser produced plasmas by Roth [1] and of charge state distributions of the interacting heavy ion beam performed by Süß [2]. Improved spectroscopic methods and new instruments in this thesis lead to a description of the spatial and temporal evolution of the temperature, which had not been available before. Hence, a more detailed modeling of the interaction processes becomes feasible. In addition, these measurements resulted in alternative methods to achieve data on the expansion dynamics, that confirmed the assumption of a primarily one-dimensional target plasma expansion. This assumption is a crucial requirement for the models, that have been used previously to describe the interaction of heavy ions with matter. The use of spherically bent crystals permits high spatial resolution of the plasma target with a spectral resolution of 103 and higher. As the wavelengths of the spectral lines of carbon are basically too large for crystal spectrometers, it was necessary to modify the target. The use of Teflon (CF2) instead of carbon permitted the application of mica crystals that can image the helium- and hydrogen-like spectral lines of fluorine in first order of diffraction. It was shown, that temperatures of kT=150-200eV are present in the core region at average electron densities of about 3×1020. A comparison of the energy loss of heavy ions in carbon and in Teflon showed the same results of dEPlasma = 900keV/u with respect to an error bar of about 10% with cold foil values of 485 and 501keV. This strengthens the relevance of the spectroscopic data to previous experiments and it can therefore be recommended to apply fluorine in the target material for future experiments. In the framework of this thesis a spectrometer for the far ultraviolet regime (XUV) was constructed, that applies gratings with varying groove distances in grazing incidence at wavelengths of 1-30nm. The conceptual design of this spectrometer permitted the deployment of an X-ray streak camera, that was used to investigate the temporal evolution of the spectra. For the interpretation of the recorded spectra a reduced model for the simulation of spectra has been developed, that is based on a modified ionization model taken from literature and on several fundamental assumptions of atomic physics.English
Uncontrolled Keywords: GSI
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
GSIEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000299
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2994
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Seelig, Prof. Dr. Wolfgang and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H.
Advisors: Seelig, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 17 December 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/299
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