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

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.