Energieverlust und Umladung von schweren Ionen in lasererzeugten Plasmen

Energieverlust und Umladung von schweren Ionen in lasererzeugten Plasmen

Kombinierte Experimente an der GSI mit PHELIX und UNILAC

Promotion

Plasmaexpansion

Die Wechselwirkung schwerer Ionen mit Plasmen bildet einen der zentralen Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik der TU Darmstadt, die ihre Experimente am GSI Helmholtz- Zentrum für Schwerionenforschung GmbH durchführt. Diese Experimente werden zum einen durch grundlegende atomphysikalische Fragestellungen motiviert, zum anderen durch die schwerioneninduzierte Trägheitsfusion. Dem zweiten Punkt folgend bietet die Erzeugung von Plasmen durch Laser den Vorteil, dass mit ihnen sowohl hohe Dichten als auch hohe Temperaturen erzeugt werden können. Die in dieser Arbeit erzeugten Plasmen werden mit Hilfe der direkten Bestrahlung einer dünnen Kohlenstofffolie von 0,5 µm Dicke durch die beiden Hochenergielasersysteme Phelix und nhelix erzeugt. Mit diesem Verfahren werden Plasmatemperaturen von T=140-200 eV erreicht, gleichzeitig beträgt die Dichte des Targets bis zu drei Promille der Festkörperdichte. Dies hat zur Folge, dass die erzeugten Kohlenstoffplasmen bereits nach 7 ns in vollionisiertem Zustand vorliegen. Der experimentelle Aufbau wurde von der einseitigen Bestrahlung des Targets mit einem Hochenergielasersystem bei der Laserwellenlänge von 1,064µm zu einer gleichzeitigen Heizung des Targets von beiden Seiten mit Hilfe von Phelix und nhelix bei der doppelten Laserfrequenz modifizert. Diese Änderung führt dazu, wie anhand von 2D-Hydrodynamiksimulationen gezeigt wird, dass aufgrund des Anstiegs der kritischen Dichte der Anteil der durch Strahlung transportierten Wärme um einen Faktor drei ansteigt. Das hat eine globale Heizung des Targets zur Folge und reduziert den Einfluss von Inhomogenitäten im Laserfokusprofil auf den Plasmabildungsprozess deutlich. Diese Inhomogenitäten haben, wie im Rahmen der vorliegendem Arbeit gezeigt wird, einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der Daten der Vermessung von Energieverlust und Umladung. Während der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei Bestrahlung des Targets mit der Grundwellenlänge der Heizlaser wurde dort in vorangegangenen Experimenten ein zu Beginn dieser Arbeit physikalisch nicht verstandener Rückgang des Energieverlustes beobachtet. Mit dem neuen Versuchsaufbau konnte der Einfluss der Hydrodynamik des Targets auf die Energieverlust- und Ladungszustandsmessungen jedoch deutlich reduziert werden. Diese wirkt sich nur noch während der ersten 4 ns der Laser- Plasma-Wechselwirkung aus. Vorher war dies für die ersten 12 ns der Fall. Die Expansionseigenschaften des Plasmas konnten mit Hilfe eines neu-designten Multi-Frame-Interferometers charakterisiert werden. Dieses Interferometer erlaubt die Aufnahme von vier zweidimensionalen Elektronendichteverteilungen des Plasmas während einer Laser-Plasma-Wechselwirkung. Der zeitliche Abstand der Bilder untereinander beträgt dabei 2 ns. Dessen Ergebnisse wurden zur Optimierung von 2D-Hydrodynamiksimulationen genutzt. Diese sind notwendig, um sämtliche Plasmaparameter des Targets bestimmen zu können. Die Unterschiede in dem der Diagnostik zugänglichen Dichtebereich und den Simulationsrechnungen sind meist geringer als 20. Die Entwicklung eines auf polykristallinem Diamant basierenden Ladungsspektrometers erlaubt in dem durchgeführten Flugzeitexperiment sowohl die gleichzeitige Vermessung des Energieverlustes des Ionenstrahls im Plasma als auch seiner Ladungsverteilung nach Austritt aus dem Plasma. Es ermöglicht weiterhin die Bestimmung der Ladungsverteilung mit einer Genauigkeit von 6% pro Ladungszustand. In der genannten Konfiguration wurde für die Ladungsverteilung von Argonionen im Plasma ein Anstieg der hohen Ladungszustände bei gleichzeitiger Reduktion der Anteile niedriger Ladungszustände im Vergleich zum Festkörper gemessen. Im Vergleich zur kalten Folie steigt der mittlere Ladungszustand von 15,8 +- 0,1 auf 16,2 +- 0, 1. In Relation zu einem kalten Gas mit 15,1 ist dieser damit deutlich erhöht. Für den Energieverlust wird im direkten Vergleich zum Festkörper eine Erhöhung von bis zu 53% +- 4% im Plasma gemessen. Mit Hilfe dieser Diagnostik wurde eine Energieauflösung von \Delta E/E = 6 * 10^{-4} erreicht. Die oben erwähnte systematische Verbesserung des Experimentaufbaus im Rahmen dieser Arbeit erlaubte erstmals die Vermessung des Energieverlustes von schweren Ionen in einem lasererzeugten Kohlenstoffplasma ohne den bereits erwähnten Rückgang des Energieverlustes zu Beginn der Laser-Plasma-Wechselwirkung unter den Energieverlust des Festkörpers. Des Weiteren wird im Rahmen dieser Arbeit eine mikroskopische theoretische Beschreibung sowohl der Ladungsverteilung als auch des Energieverlustes entwickelt. Die Berechnung der Ladungsverteilung schwerer Ionen im Plasma basiert auf den Berechnungsroutinen für die verschiedenen Ionisations-, Anregungs- und Rekombinationsprozesse des Codes ETACHA. Diese Berechnungsroutinen werden im Rahmen dieser Arbeit für den Fall von teil- und vollionisierten Kohlenstoffplasmen erweitert. Weiterhin werden die relevanten Wirkungsquerschnitte für die Wechselwirkung mit freien Elektronen hinzugefügt. Die Berechnung der sich einstellenden Ladungsverteilungen erfolgt mit Hilfe eines Monte-Carlo- Ansatzes. Im Plasma sinkt der Wirkungsquerschnitt für die direkte Rekombination, wohingegen der Wirkungsquerschnitt für die direkte Ionisation leicht ansteigt. Die alleinige Betrachtung dieserWirkungsquerschnitte ist jedoch nicht ausreichend. Da die theoretische Beschreibung sowohl die verschiedenen Schalen des Projektils als auch des Targets berücksichtigt, ist auch das Studium der Auswirkungen gekoppelter Effekte auf die sich einstellenden Ladungsverteilungen möglich. So wird im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass im Fall des betrachteten Laserplasmas trotz des Anstiegs der Wirkungsquerschnitte für die direkte Ionisation aufgrund der Expansionseigenschaften des Targets die Ionisation über eine zuerst erfolgende Anregung stark gebundener Elektronen und anschließender Ionisation weitestgehend verschwindet. Dies hat eine Reduktion der Ionisationswahrscheinlichkeit des Projektils um einen Faktor zwei im Vergleich zum Festkörper zur Folge. Weiterhin ist aufgrund der geringeren Dichte des Plasmas im Vergleich zum Festkörper auch ein deutlicher Anstieg der Rekombinationswahrscheinlichkeiten aufgrund des effektiven Einfangs in höherenergetischere Schalen und anschließendem Zerfall des Niveaus in den Grundzustand zu verzeichnen. Erst ab Temperaturen von ca. 80 eV im Kohlenstoffplasma sinkt die sich tatsächlich einstellende Rekombinationsrate unter das Niveau des Festkörpers und die Veränderung der Wirkungsquerschnitte für die direkten Ionisations- und Rekombinationsprozesse bestimmen die sich einstellende Ladungsverteilung. Die theoretische Beschreibung der Ladungsverteilung wird anschließend mit dem differentiellen Energieverlust im Plasma verknüpft. Eine modifizierte Version des CasP-Codes erlaubt die Berechnung des Energieübertrags sowohl an gebunde Elektronen eines Ions als auch an ein freies Elektronengas. Beide Fälle werden im Rahmen eines Oszillatormodells beschrieben. Dabei wird sowohl die Abschirmung des Projektils für jeden sich einstellenden Ladungszustand durch gebundene Elektronen berücksichtigt als auch die Stoßparameterabhängigkeit des Energieverlustes. Es ist an keiner Stelle die Einführung einer nichtphysikalischen effektiven Ladung des Projektils notwendig. Die Verknüpfung mit dem tatsächlichen Ladungszustand des Ions erlaubt die mikroskopische Berechnung des Energieverlustes für jedes Teilchen an jeder Stelle in jedem Zustand im Target. Im Fall der im Experiment erzeugten Laserplasmen sagt die Theorie einen maximalen Anstieg des differentiellen Energieverlustes um einen Faktor zwei im Vergleich zum Festkörper voraus. Im Vergleich zu einem kalten Gas mit gleichen Parametern verursacht dabei der Anstieg des Ladungszustandes des Projektils im Target eine Erhöhung des Energieverlustes von etwa 12%. Der effektivere Energieübertrag an freie Elektronen aufgrund der geringeren Anregungsenergie des entsprechenden Oszillators macht mit 88% den sehr viel größeren Anteil aus. Der Vergleich zwischen den theoretisch berechneten Werten und den experimentellen Daten ergibt im Fall der Ladungsverteilungen eine gute, im Fall des Energieverlustes eine hervorragende Übereinstimmung. Im zweiten Fall beträgt die Standardabweichung zwischen experimentellen und theoretisch berechneten Werten im Plasma 0,2MeV, was je nach eingenommenem Energieverlustwert zwischen sechs und zehn Prozent Abweichung bedeutet. Dies entspricht den Fehlerbalken des Experiments. Demzufolge liefert die vorliegende Arbeit sehr präzise experimentelle Daten über den Energieverlust von Argonionen bei einer Energie von 4MeV/u in einem heißen Kohlenstoffplasma und bietet gleichzeitig eine mikroskopische theoretische Beschreibung der dem Experiment zugrunde liegenden physikalischen Prozesse.

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