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Experimente mit lasergeheizten Hohlräumen für die Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit ionisierter Materie

Schaumann, Gabriel :
Experimente mit lasergeheizten Hohlräumen für die Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit ionisierter Materie.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimente mit lasergeheizten Hohlräumen für die Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit ionisierter Materie
Language: German
Abstract:

Die Erforschung derWechselwirkung von schweren Ionen mit Plasmen bildet einen Arbeitsschwerpunkt der Abteilung Plasmaphysik an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI). Der Experimentplatz an der GSI bietet die einzigartige Möglichkeit den Ladungszustand und den Energieverlust von Ionen eines Linearbeschleunigers zu messen, nachdem sie ein heißes und dichtes Plasma durchdrungen haben. Bisher wurde das Plasma mit dem Hochenergielaser Nhelix durch direkte Bestrahlung einer Festkörperprobe (Target) erzeugt. Ein Ziel dieser Arbeit bestand darin, einen Hohlraum als Konverter für die langwellige Laserstrahlung in weiche Röntgenstrahlung zu entwickeln und die thermische Strahlung zu charakterisieren. Das eigentliche Plasmatarget für den Ionenstrahl soll dann mit dieser Hohlraumstrahlung geheizt werden. In lasergeheizten Hohlräumen lassen sich Strahlungstemperaturen erzeugen, bei denen das Maximum der spektralen Strahlstärke bei Wellenlängen von wenigen Nanometern liegt. Diese Strahlung kann eine dünne Festkörperfolie homogen über das ganze Probenvolumen heizen. Des Weiteren ist das Strahlungsfeld in einem Hohlraum isotrop und die inkohärente, thermische Strahlung bildet im Gegensatz zu Laserlicht keine lokalen Intensitätsspitzen durch Interferenzeffekte aus. Deshalb wird es mit dem Konzept der indirekten Heizung möglich sein, ein räumlich homogenes Plasma bei Festkörperdichte zu erzeugen. Es werden Daten zum Energieverlust von Ar-Ionen in Plasmatargets vorgestellt, die durch direkte Laserbestrahlung erzeugt wurden. Mit einem neuen Ionendetektor konnte die Energieauflösung und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Messung verbessert werden. Eine präzise Synchronisation zwischen Linearbeschleuniger und Laser erlaubte es, den Laserpuls relativ zu der Pulsstruktur des Beschleunigers zwischen den Experimenten um jeweils 2 ns zu verschieben. So konnte der zeitliche Verlauf des Energieverlustes mit einer Abtastrate von 1/(2 ns) aus mehreren Experimenten bestimmt werden. Die Transparenz der dünnen Folien für Laserlicht wurde in Abhängigkeit von der Foliendicke und der Laserpulsdauer untersucht. Für die theoretische Beschreibung des Energieverlustes in ionisierter Materie ist die Dichte der freien Elektronen ein wichtiger Plasmaparameter. Deshalb wurde ein Interferometer entwickelt und aufgebaut, mit dem die Elektronendichte ortsaufgelöst und erstmals auch zu verschiedenen Zeiten bei einem Experiment bestimmt werden konnte. Für die Herstellung der Hohlräume wurde ein lithographisches Verfahren angewandt, mit dem sich Targets aus Gold von unterschiedlicher Größe und Form fertigen lassen. In dieser Arbeit werden Experimente mit Targets in sphärischer Geometrie vorgestellt, die einen Durchmesser von 750 und eine Wandstärke von 10 Mikrometern haben. Um die Hohlraumstrahlung zu charakterisieren, wurde ein Spektrometer mit hoher Zeitauflösung entwickelt und mit einer Deuteriumlampe absolut kalibriert. Während der Heizphase, wurde der Temperaturanstieg mit einer Zeitauflösung besser 1 ns bis auf eine maximale Strahlungstemperatur von 73 eV/kB (850.000 Grad Celsius) gemessen. Aus dem gemessenen Verlauf der Strahlungstemperatur konnte für die konkrete Hohlraumgeometrie die Effizienz der Konversion von Laserenergie in thermische Energie der Hohlraumstrahlung zeitaufgelöst bestimmt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The investigation of phenomena concerning the interaction of heavy ions with plasmas is a key research activity of the plasma physics group at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI). The laboratory at GSI offers the unique opportunity to measure the charge state distribution and the energy loss of swift heavy ions after they have penetrated a hot and dense plasma. Until now, the plasma has been generated through direct irradiation of a solid density foil target by the high energy laser system Nhelix. This dissertation research aims to develop a Hohlraum as a converter for laser radiation into soft X-rays, and to characterise this thermal radiation. In a next step, the actual plasma target for the ion beam will then be generated with this thermal radiation. Laser heated hohlraum targets allow for the production of radiation temperatures with maximum spectral emission in a wavelength range of a few nanometers. This radiation can evenly heat the entire volume of a thin foil target. The concept of indirect heating allows for the production of a spatially homogenous plasma at solid state density. This dissertation presents data on the energy loss of Ar-ions in plasma targets generated by direct heating of carbon foils with the Nhelix laser. Due to the use of a new ion detector, the energy resolution and the signal-to-noise ratio of the measurements were improved. With a precise synchronisation between the bunch structure of the ion beam and the laser pulse it became feasible to measure the chronological sequence of the energy loss with a sampling rate of 1/(2 ns). The transparency of thin carbon foils for laser light has been investigated as a function of foil thickness and pulse length, which resulted in a maximum laser pulse length applicable for a certain foil thickness and laser intensity. The density of free electrons is an important plasma parameter for the theoretical description of energy loss in ionised matter. For this purpose, an interferometer was developed and constructed, with which the electron density could be determined with spatial resolution, and for the first time also at different times during the experiment. A lithographic procedure was developed that enables the production of gold hohlraum targets of varied size and shape. This dissertation presents experiments with targets of spherical geometry, a diameter of 750 and a wall-thickness of 10 micrometer. In order to characterise the cavity radiation, a spectrometer with high time resolution was developed and calibrated in terms of absolut intensity units with a deuterium-lamp. While the laser heats the cavity, the rise in temperature was measured with a time resolution better 1 ns up to a maximal radiation temperature of 73 eV/kB (850.000 grad celsius). For this particular Hohlraum geometry, conversion efficiency (with time resolution) of laser energy to thermal energy of the hohlraum radiation has been derived from the measurements of the development of radiation temperature.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000932
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9323
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hoffmann, Prof.Dr. D Dieter H.H.
Advisors: Roth, Prof.Dr. Markus
Refereed: 17 December 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/932
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