TU Darmstadt / ULB / TUprints

Energieverlust und Ladungsverteilung von Calciumionen in dichtem, schwach gekoppeltem Kohlenstoffplasma

Ortner, Alex :
Energieverlust und Ladungsverteilung von Calciumionen in dichtem, schwach gekoppeltem Kohlenstoffplasma.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

[img]
Preview
Text
DissAlexOrtner.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (44MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Energieverlust und Ladungsverteilung von Calciumionen in dichtem, schwach gekoppeltem Kohlenstoffplasma
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Energieverlust und die Ladungsverteilung von Calciumio- nen (Energie: Ep = 3,5MeV/u), die mit einem dichten, schwach gekoppelten Kohlenstoff- plasma (Kopplungsparameter: Γ = 0,1 – 0,5 ) wechselwirken, untersucht. Der schwach gekop- pelte Plasmazustand wird durch volumetrisches Heizen einer Kohlenstofffolie mit thermischer Röntgenstrahlung erreicht. Zur Erzeugung der Röntgenstrahlung wird ein Doppelgoldhohlraum verwendet, in dem intensive Laserstrahlung in thermische Röntgenstrahlung konvertiert wird. Im Vergleich zu Vorgängerexperimenten konnte die Elektronendichte und die Plasma-Kopplung um eine Größenordnung gesteigert werden. In dieser Arbeit werden erstmals experimentel- le Ergebnisse für den Energieverlust und die Ladungsverteilung in diesem Parameterbereich präsentiert. Alle Experimente wurden am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt durchgeführt, welches die einzigartige Möglichkeit bietet, einen Schwerionenbeschleuniger und einen Hochenergielaser an einem Messplatz zu kombinieren. Ein intensiver Laserpuls (150J in 1ns mit λL = 527nm) wird in einen kugelförmigen Hohl- raum, mit einem Durchmesser von 600 μm fokussiert und erzeugt dort ein heißes Goldplasma auf der Hohlrauminnenwand, welches als effiziente Röntgenstrahlungsquelle dient. Im Hohl- raum bildet sich ein quasi-thermisches Strahlungsspektrum mit einer Strahlungstemperatur von Tr = (98 ± 6) eV aus. Diese Röntgenstrahlung wird in einen zweiten, sich daran anschließenden Zylinderhohlraum (Durchmesser: 1000μm, Länge: 950μm) geleitet und heizt dort zwei dün- ne Kohlenstofffolien (je 100μg/cm2) in einen dichten Plasmazustand. Die Strahlungstempera- tur im Sekundärhohlraum liegt bei Tr = (33 ± 5) eV. Diese indirekte Methode hat gegenüber der direkten Laserheizung den Vorteil, dass die Strahlungsenergie gleichmäßig im gesamten Probenvolumen und nicht nur in der unterkritischen Plasmakorona deponiert wird. Damit kann ein schnelles Ausdünnen des Plasmas und der Einfluss von Inhomogenitäten des Laserfokuses auf die Plasmaentwicklung vermieden werden. Des Weiteren bildet sich das Plasma aufgrund der Geometrie des Hohlraums und des hydrodynamischen Einschlusses entlang der Ionenstrahl- achse aus und kann so präzise mit den Ionenpulsen untersucht werden. Mit diesen Doppelhohl- räumen konnte ein vergleichsweise kaltes (T = 5 – 10 eV) und teilionisiertes (Zion = 2 – 4 ) Kohlenstoffplasma mit Elektronendichten von bis zu ne = 8 · 1021 cm−3 erzeugt werden. Das Plasma bleibt über einen Zeitraum von 5 ns in einem dichten und homogenen Zustand, so das es gut mit den 3 ns langen Ionenpulsen untersucht werden kann. Die Hohlraumtargets wurden in mehreren Iterationsschritten mit Hilfe von 2D-Hydrodynamiksimulationen und experimen- tellen Messungen optimiert und für die Anforderungen an kombinierte Ionenstrahlexperimente angepasst. Der Energieverlust, den der Ionenstrahl im Plasma erfährt, hängt empfindlich vom La- dungszustand des Projektils ab. Um den Einfluss der Plasmaparameter auf die Ladungsver- teilung des Ionenstrahls zu untersuchen, wurde eine vergleichende Simulationsstudie durch- geführt. Die Studie erstreckt sich über einen großen Parameterbereich mit Ionendichten von 1018 bis 1023 cm−3 und Temperaturen von 10 bis 200 eV. Die Ladungsverteilung des Ionen- strahls stellt sich durch das dynamische Gleichgewicht aller Ionisations- und Rekombinations- prozesse ein. Sowohl die Ionisations- und Rekombinationsraten wie auch die Zerfalls- und An- 1 regungsraten hängen hierbei auf unterschiedliche Weise von den Plasmaparametern ab. Diese Abhängigkeiten wurden mit einem eigens dafür entwickelten Monte-Carlo Code, der sämtliche Umladungsprozesse der Projektilionen bei Wechselwirkung mit den Plasmateilchen berücksich- tigt, für ein Calciumionenstrahl mit einer Energie von 3,5MeV/u in einem Kohlenstoffplasma simuliert. Das Hauptergebnis der Studie ist, dass sich, insbesondere im kalten, teilionisierten Plasma, Parameterbereiche finden lassen, in dem der mittlere austretende Ladungszustand des Ionenstrahls wegen einer Resonanz der dielektronischen Rekombination unter den Wert des Kaltgasgleichgewichtszustands sinkt. Dieser Effekt ist unerwartet, da im Plasma der Ladungszu- stand aufgrund der sinkenden Einfangwahrscheinlichkeiten von gebundenen Elektronen typi- scherweise erhöht ist. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass der Energieverlust im Plasma weniger vom Projektilladungszustand als vom Verhältnis freier zu gebundener Elektronen, also vom Plasmaionisationsgrad, abhängt. Der Energieverlust und die Ladungsverteilung wurden in mehreren experimentellen Kampag- nen ausführlich vermessen. Der Energieverlust wurde hierbei über eine Flugzeitmessung und die Ladungsverteilung mit Hilfe eines Magnetspektrometers bestimmt. Insgesamt wurde ein An- stieg des Energieverlustes um über 80 Prozent von (22 ± 3) keV/(μg/cm2) im kalten Kohlenstoff auf (40 ± 4) keV/(μg/cm2) im Plasma gemessen. Die experimentellen Ergebnisse liegen damit etwa 10 bis 15 Prozent über den theoretischen Vorhersagen. Die Messung der Ladungsverteilung der Ionen nach Wechselwirkung mit dem Plasma bzw. kalter Kohlenstofffolie zeigt, wie von den Simulationen in der Paramterstudie vorhergesagt, keine signifikante Erhöhung des mittleren Ladungszustandes im Fall von Plasma. Für den Festkörper wurde für den mittlerer Projektil- ladungszustand ein Wert von 16,8 ± 1,2 und für die Wechselwirkung mit Plasma ein Wert von 16,9 ± 1,4 gemessen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis the interaction of swift calcium ions (Energy: 3,5 MeV/u) with a dense and mode- rately coupled carbon plasma (Coupling parameter: Γ = 0,1 – 0,5 ) is investigated. The plasma state is generated by heating a thin carbon foil volumetrically by thermal X-ray radiation. The thermal X-ray radiation itself is generated by the conversion of a high energy laser beam in a hohlraum cavity. Compared to earlier ion stopping experiments the electron density and the plasma coupling parameter could be increased by an order of magnitude. This work provides the first time experimental energy loss and charge state distribution data in this moderately coupled interaction regime. The thesis consists of a theoretical part where the ion beam plasma interaction is studied for a broad range of plasma parameters and an experimental part where the ion beam interaction with the hohlraum plasma target is measured. All the described experiments were carried out at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionen- forschung in Darmstadt. This facility offers the unique possibility to combine a heavy ion beam from an accelerator with a high energy laser beam in one interaction chamber. An intense laser pulse (150 J of laser energy in 1 ns at λL = 527 nm) is focused inside a 600 μm diameter spherical cavity and generates a hot gold plasma that emits X-rays. The absorbed and reemitted radiation establishes a spatially uniform temperature distribution in the cavity and serves as an intense, isotropic X-ray source with a quasi-thermal spectral distribution. These thermal X-rays with a radiation temperature of Tr = 98 ± 6 eV then propagate into a secondary cylindrical hohlraum (diameter: 1000 μm, length: 950 μm) where they volumetrically heat two thin carbon foils to the plasma state. The radiation temperature in the secondary hohlraum is Tr = 33±5eV. This indirect laser heating scheme has the advantage that the whole sample volume is instantaneously heated and that the plasma is inertially and thermally confined, as hydrodynamic expansion is limited and radiative cooling is suppressed. Typical disadvantages of direct laser heated plasmas like a hot and fast diluting plasma corona as well as spatial and temporal inhomogeneities due to the inherently non-uniform intensity distribution of the laser focal spot, are avoided. The used double hohlraum target allows to create a partially ionized plasma (Zion = 2 – 4 ) with electron densities close to solid state density (ne = 8 · 1021 cm−3) and moderate temperatures (T = 5 – 10 eV). The used hohlraum design has been studied in details and optimized by means of 2D hydrodynamic simulations. The energy loss of ions traveling through ionized matter strongly depends on their charge state, so a detailed understanding of the charge transfer processes in a wide range of plasma parameters is required. To determine the influence of the plasma temperature and density on the projectile charge state, a parametric study has been carried out covering a parameter space with ion densities of 1018 – 1023 cm−3 and temperatures of 10 – 200 eV. The projectile charge state distribution is determined by the ionization and recombination rates which are balancing each other out. Both, ionization and recombination rates, as well as atomic excitation and decay rates, depend on the plasma parameters in different ways. These effects have been simulated by a specially developed Monte-Carlo Code on the example of a calcium ion beam at an energy of 3,5 MeV/u in a carbon plasma. The main finding is that the mean charge state in plasma can be lower than in cold matter. This is a surprising result, because the projectile charge state is expected to increase in plasma due to the suppressed recombination rates with bound electrons. 3 Actually, due to a resonance effect in the dielectronic recombination process the recombination rate is enhanced in partially ionized plasma, which leads to a lowering of the mean beam charge state. Another result of this study is that the energy loss depends more sensitively on the plasma ionization degree than on the projectile charge state. Finally the energy loss and the charge state distribution of a calcium ion beam have been experimentally investigated in the considered hohlraum plasma. The energy loss has been mea- sured with a time of flight method and the charge state distribution with a magnet charge state spectrometer. The measurements show an increase of the energy loss of more than 80% from (22 ± 3) keV/(μg/cm2) in solid carbon to (40 ± 4) keV/(μg/cm2) in carbon plasma. The expe- rimental results lie 10 to 15% above the predictions of common stopping power theories. The measured charge state distribution of the ion beam after interaction with the plasma shows no significant difference with the distribution after interaction with a cold carbon foil, as expected from the simulations. The measured mean charge state for cold carbon is 16,8 ± 1,2 and the value after the interaction with the plasma is 16,9 ± 1,4.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Energieverlust, Plasma, Hohlraumplasma, Hohlraum, Ladungsverteilung, schwere Ionen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Energy loss, plasma, hohlraum plasma, hohlraum target, charge state distribution, heavy ionsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 17 Sep 2015 07:09
Last Modified: 17 Sep 2015 07:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49675
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 29 June 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4967
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year