Ortner, Alex (2015)
Energieverlust und Ladungsverteilung von Calciumionen in dichtem, schwach gekoppeltem Kohlenstoffplasma.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Energieverlust und die Ladungsverteilung von Calciumio- nen (Energie: Ep = 3,5MeV/u), die mit einem dichten, schwach gekoppelten Kohlenstoff- plasma (Kopplungsparameter: Γ = 0,1 – 0,5 ) wechselwirken, untersucht. Der schwach gekop- pelte Plasmazustand wird durch volumetrisches Heizen einer Kohlenstofffolie mit thermischer Röntgenstrahlung erreicht. Zur Erzeugung der Röntgenstrahlung wird ein Doppelgoldhohlraum verwendet, in dem intensive Laserstrahlung in thermische Röntgenstrahlung konvertiert wird. Im Vergleich zu Vorgängerexperimenten konnte die Elektronendichte und die Plasma-Kopplung um eine Größenordnung gesteigert werden. In dieser Arbeit werden erstmals experimentel- le Ergebnisse für den Energieverlust und die Ladungsverteilung in diesem Parameterbereich präsentiert. Alle Experimente wurden am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt durchgeführt, welches die einzigartige Möglichkeit bietet, einen Schwerionenbeschleuniger und einen Hochenergielaser an einem Messplatz zu kombinieren. Ein intensiver Laserpuls (150J in 1ns mit λL = 527nm) wird in einen kugelförmigen Hohl- raum, mit einem Durchmesser von 600 μm fokussiert und erzeugt dort ein heißes Goldplasma auf der Hohlrauminnenwand, welches als effiziente Röntgenstrahlungsquelle dient. Im Hohl- raum bildet sich ein quasi-thermisches Strahlungsspektrum mit einer Strahlungstemperatur von Tr = (98 ± 6) eV aus. Diese Röntgenstrahlung wird in einen zweiten, sich daran anschließenden Zylinderhohlraum (Durchmesser: 1000μm, Länge: 950μm) geleitet und heizt dort zwei dün- ne Kohlenstofffolien (je 100μg/cm2) in einen dichten Plasmazustand. Die Strahlungstempera- tur im Sekundärhohlraum liegt bei Tr = (33 ± 5) eV. Diese indirekte Methode hat gegenüber der direkten Laserheizung den Vorteil, dass die Strahlungsenergie gleichmäßig im gesamten Probenvolumen und nicht nur in der unterkritischen Plasmakorona deponiert wird. Damit kann ein schnelles Ausdünnen des Plasmas und der Einfluss von Inhomogenitäten des Laserfokuses auf die Plasmaentwicklung vermieden werden. Des Weiteren bildet sich das Plasma aufgrund der Geometrie des Hohlraums und des hydrodynamischen Einschlusses entlang der Ionenstrahl- achse aus und kann so präzise mit den Ionenpulsen untersucht werden. Mit diesen Doppelhohl- räumen konnte ein vergleichsweise kaltes (T = 5 – 10 eV) und teilionisiertes (Zion = 2 – 4 ) Kohlenstoffplasma mit Elektronendichten von bis zu ne = 8 · 1021 cm−3 erzeugt werden. Das Plasma bleibt über einen Zeitraum von 5 ns in einem dichten und homogenen Zustand, so das es gut mit den 3 ns langen Ionenpulsen untersucht werden kann. Die Hohlraumtargets wurden in mehreren Iterationsschritten mit Hilfe von 2D-Hydrodynamiksimulationen und experimen- tellen Messungen optimiert und für die Anforderungen an kombinierte Ionenstrahlexperimente angepasst. Der Energieverlust, den der Ionenstrahl im Plasma erfährt, hängt empfindlich vom La- dungszustand des Projektils ab. Um den Einfluss der Plasmaparameter auf die Ladungsver- teilung des Ionenstrahls zu untersuchen, wurde eine vergleichende Simulationsstudie durch- geführt. Die Studie erstreckt sich über einen großen Parameterbereich mit Ionendichten von 1018 bis 1023 cm−3 und Temperaturen von 10 bis 200 eV. Die Ladungsverteilung des Ionen- strahls stellt sich durch das dynamische Gleichgewicht aller Ionisations- und Rekombinations- prozesse ein. Sowohl die Ionisations- und Rekombinationsraten wie auch die Zerfalls- und An- 1 regungsraten hängen hierbei auf unterschiedliche Weise von den Plasmaparametern ab. Diese Abhängigkeiten wurden mit einem eigens dafür entwickelten Monte-Carlo Code, der sämtliche Umladungsprozesse der Projektilionen bei Wechselwirkung mit den Plasmateilchen berücksich- tigt, für ein Calciumionenstrahl mit einer Energie von 3,5MeV/u in einem Kohlenstoffplasma simuliert. Das Hauptergebnis der Studie ist, dass sich, insbesondere im kalten, teilionisierten Plasma, Parameterbereiche finden lassen, in dem der mittlere austretende Ladungszustand des Ionenstrahls wegen einer Resonanz der dielektronischen Rekombination unter den Wert des Kaltgasgleichgewichtszustands sinkt. Dieser Effekt ist unerwartet, da im Plasma der Ladungszu- stand aufgrund der sinkenden Einfangwahrscheinlichkeiten von gebundenen Elektronen typi- scherweise erhöht ist. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass der Energieverlust im Plasma weniger vom Projektilladungszustand als vom Verhältnis freier zu gebundener Elektronen, also vom Plasmaionisationsgrad, abhängt. Der Energieverlust und die Ladungsverteilung wurden in mehreren experimentellen Kampag- nen ausführlich vermessen. Der Energieverlust wurde hierbei über eine Flugzeitmessung und die Ladungsverteilung mit Hilfe eines Magnetspektrometers bestimmt. Insgesamt wurde ein An- stieg des Energieverlustes um über 80 Prozent von (22 ± 3) keV/(μg/cm2) im kalten Kohlenstoff auf (40 ± 4) keV/(μg/cm2) im Plasma gemessen. Die experimentellen Ergebnisse liegen damit etwa 10 bis 15 Prozent über den theoretischen Vorhersagen. Die Messung der Ladungsverteilung der Ionen nach Wechselwirkung mit dem Plasma bzw. kalter Kohlenstofffolie zeigt, wie von den Simulationen in der Paramterstudie vorhergesagt, keine signifikante Erhöhung des mittleren Ladungszustandes im Fall von Plasma. Für den Festkörper wurde für den mittlerer Projektil- ladungszustand ein Wert von 16,8 ± 1,2 und für die Wechselwirkung mit Plasma ein Wert von 16,9 ± 1,4 gemessen.

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