Energieverlust

Wechselwirkung schwerer Ionen mit dichten Laserplasmen

Energieverlust – Laser-Plasma-Physik – Hohlraumtargets

Leuchten eines Laserplasmas, das durch beidseitiges Heizen einer Kohlenstofffolie mit den Hochenergielasern PHELIX und NHELIX erzeugt wurde.
Leuchten eines Laserplasmas, das durch beidseitiges Heizen einer Kohlenstofffolie mit den Hochenergielasern PHELIX und NHELIX erzeugt wurde.

Ein traditioneller Schwerpunkt der Forschungsarbeiten in der Abteilung Plasmaphysik an der GSI ist die Untersuchung der Wechselwirkung von schweren Ionen mit Plasmen.

Um die Wechselwirkung zu untersuchen, wird zuerst ein Plasma erzeugt, welches von einem Ionenstrahl geprobt wird. Wenn die Ionen mit dem Plasma wechselwirken, verlieren sie Energie und ihr Ladungszustand ändert sich. Dieser Energieverlust und die Veränderung der Ladungszustände werden gemessen und erlauben Rückschlüsse auf die physikalischen Prozesse, die im Plasma stattgefunden haben.

In den 80er Jahren wurden die Plasmen mit Gasentladungen erzeugt. Später versuchte man mit Sprengstoff getriebenen Schockwellen extreme Materiezustände zu erzeugen. Mit diesen Methoden erreicht man jedoch nur Plasmen bis zu einer Dichte von 10^18 Elektronen pro Kubikzentimeter (entspricht etwa der Dichte von Luft). Ende der 90er Jahre wurde der erste Hochenergielaser NHELIX an der GSI zur Erzeugung von Laserplasmen gebaut. NHELIX ist ein gepulstes 100 J Nd:YAG/Nd:Glas-Lasersystem mit einer Pulslänge von 6-15 ns. Mit Hilfe dieses Lasers können Plasmen höherer Dichte als bei Gasentladungen (bis zur kritischen Elektronendichte der Laserstrahlung von 10^21 cm^-3) und höherer Temperaturen (>100 eV) erzeugt werden. Von 2000 bis 2010 wurde der wesentlich größere Laser PHELIX gebaut. Dieser ermöglicht es bis zu 200 J in nur 1 ns auf ein Target zu fokussieren. Mit einem indirekten Heizverfahren können hierbei Elektronendichten bis zu 10^22 cm^-3, also Plasmen nahe der Festkörperdichte, erzeugt werden.

Goldhohlraum zur Konvertierung von Laserstrahlung in intensive Röntgenstrahlung. Dabei wird der PHELIX Laser in die obere Konverterkugel geschossen. Dort bildet sich ein Goldplasma, das im Röntgenbereich leuchtet. Die Röntgenstrahlung dringt in den Zylinderhohlraum und heizt dort ein Kohlenstoff Plasma, dass mit dem Ionenstrahl geprobt wird.
Goldhohlraum zur Konvertierung von Laserstrahlung in intensive Röntgenstrahlung. Dabei wird der PHELIX Laser in die obere Konverterkugel geschossen. Dort bildet sich ein Goldplasma, das im Röntgenbereich leuchtet. Die Röntgenstrahlung dringt in den Zylinderhohlraum und heizt dort ein Kohlenstoff Plasma, dass mit dem Ionenstrahl geprobt wird.

Am Z6 Messplatz an der GSI können beide Hochenergielaser sowie der Ionenstrahl im Vakuum zusammen auf ein Target geführt werden.

Durch Variation der Heizverfahren (einseitig, zweiseitig, indirekt in Konverterhohlräumen) können verschiedene Plasmaparameter erzeugt werden (verschiedene Temperaturen, Dichten und Ionisationsgrade). Unterschiedliche Ionensorten und die Variation ihrer Energie ermöglicht es, ein breites Spektrum von Wechselwirkungsregimen zu untersuchen, von idealen Plasmen bis zu teilionisierten nicht idealen Plasmen mit starker Ionenstrahl-Plasma Kopplung.

Statt der vom Beschleuniger gelieferten Ionen wollen wir nun auch untersuchen, wie sich der Energieverlust von laserbeschleunigten Ionen in dichten Plasmen verhält. Dies ist insbesondere für die durch Schwerionen induzierte Zündung (Fast Ignition Approach) in der Trägheitsfusion ein sehr wichtiger Beitrag. Bei diesem Ansatz wird in einem, durch Laserstrahlung auf ein 1000-faches der Festkörperdichte komprimiertes Wasserstofftarget, mit einem intensiven Ionenpuls die Fusion gezündet.

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