Die Expansion eines dichten Plasmas in ein magnetisiertes Plasma geringerer Dichte ist im Weltall und so auch im erdnahen Raum weit verbreitet. Bei der Wechselwirkung zwischen Plasmen unterschiedlicher Dichte im Magnetfeld werden verschiedene hydromagnetische Wellen erzeugt, z.B. die stoßfreien Stoßwellen, von denen man annimmt, dass sie die Quelle hochenergetischer Elektronen sind. Ein Beispiel hierfür ist die galaktische kosmische Strahlung von Supernovaüberresten. Trotz der Bedeutung für die Astrophysik und der bereits mehr als 50 Jahre andauernden Forschungstätigkeit ist die Physik von Stoßwellen heute aber immer noch nicht vollständig verstanden. So fehlen noch Erklärungen des eigentlichen Entstehungsprozesses der Stoßwellen und der Dissipation ihrer Energie.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Experiment mit dem "Großen Plasmagerät" (Large Plasma Device - LAPD) an der University of California, Los Angeles, beschrieben, das an einen kJ-Laser gekoppelt ist. Wenn ein laserproduziertes dichtes Plasma mit einem vorgeformten, magnetisierten Plasma wechselwirkt, bildet sich ein diamagnetisches Loch, welches mit einem Kolben verglichen werden kann, der eine stoßfreie Stoßwelle generiert. Das Verständnis der Mikrophysik des entstandenen diamagnetischen Lochs ist sehr wesentlich, da derartige Löcher in vielen Plasmen beobachtet werden, die sich in einem Magnetfeld befinden, aber weiterhin bleiben viele Fragen unbeantwortet. In einer Serie von Experimenten werden bei unterschiedlichen Plasmaparametern Proben des Magnetfeldflusses und Elektronen emittierende Proben genommen, um die Struktur des diamagnetischen Lochs senkrecht zum Magnetfeld zu untersuchen, vor allem in der Randschicht, wo die stoßfreie Kopplung zwischen vom Target abgelösten Teilchen des Plasmas höherer Dichte und dem umgebenden Plasma niedriger Dichte stattfindet. Im Vergleich zu niedrigeren Laserenergiebereichen konnte ein besserer Energietransfer an das Hintergrundplasma beobachtet werden, welcher von der Stärke des angelegten Magnetfeldes abhängt. Dabei bleibt der Energieumwandlungswirkungsgrad vom Laser zum diamagnetischen Loch trotz der erhöhten Laserenergie in der gleichen Größenordnung. Der Anstieg des elektrischen Feldes an dem vorderen Rand von Stoßwellen wurde experimentell festgestellt, welcher ein direkter Beweis für den stoßfreien laminaren Kopplungsmechanismus zwischen dem laserproduzierten Plasma und den Umgebungsionen sein kann. Die vermessenen großen Fluktuationen der Magnetfelder und elektrischen Felder vor dem Rand, die auch durch schnelle Fotoaufnahmen beobachtet wurden, geben Hinweise auf die Anregung von Plasmainstabilitäten, welche als Ursache sowohl für Energiedissipation als auch für die kurze Lebensdauer des diamagnetischen Lochs betrachtet wird. Dieser ist etwa drei Größenordnung kürzer als die theoretisch hergeleitete klassische Diffusionszeit. Entlang den Magnetfeldlinien wurden solitonen-ähnliche Alfvén-Wellen detektiert, welche aus der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen energetischen Elektronen und dem umgebenden magnetisierten Plasma erzeugt werden können. Diese haben einen besseren Energieumwandlungswirkungsgrad im Vergleich zu den Alfvén-Wellen, die bei niedrigeren Laserenergien entstehen. Die experimentellen Ergebnisse der Arbeit werden mit zwei-dimensionalen Hybridsimulationen verglichen. Die im Experiment beobachtete Ionendynamik sowie große Fluktuationen in den Messungen von elektrischen Feldern konnten reproduziert werden. Weiterhin wurde auch der Einfluss des Polytropenkoeffizienten auf die Lösung der mathematischen Gleichung für die Elektronentemperatur im Hybridcode erforscht. Dabei hatte ein nichtadiabatischer Anstieg der Elektronentemperatur zur Folge, dass die elektrische Feldenergie zunahm und die Umgebungsionen in radialer Richtung schneller beschleunigt wurden.