Charakterisierung lasererzeugter Hohlraumstrahlung für die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung von Schwerionen mit Plasmen

Ein Forschungsgebiet der Plasmaphysikgruppe des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH und der Laser- und Plasmaphysik AG des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt ist die Bestimmung des Energieverlusts von Schwerionen in Plasmen. Der Experimentierplatz Z6 an der GSI bietet hierfür die einzigartige Möglichkeit in der Kombination von Ionenstrahlen des UNILAC Beschleunigers mit zwei Hochenergielasersystemen: nhelix und PHELIX. In aktuellen Experimenten wird eine dünne Kohlenstofffolie von Ionenpulsen in regelmäßigen Abständen von 9,2 ns durchquert. Ein Laserpuls von einem, oder auch beiden, der Systeme verwandelt die Folie zu einer bestimmten Zeit in ein Plasma. Die Änderung in der Ankunftszeit der Ionen an einem Stoppdetektor gibt Aufschluss über den Energieverlust im Plasma. Neben diesem Messprinzip der direkten Heizung wird seit einiger Zeit das Schema der indirekten Heizung untersucht. Der Laser kann die Folie nicht durchdringen, sondern heizt diese nur an der Oberfläche, so dass Gradienten in Dichte und Temperatur entstehen. Die indirekte Heizung sieht einen Konverterhohlraum vor, in dem das Laserlicht in thermische Röntgenstrahlung umgewandelt wird. Ein sekundärer Hohlraum enthält das Wechselwirkungstarget für den Ionenstrahl und wird von der Röntgenstrahlung durchdrungen und homogen geheizt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das thermische Strahlungsfeld eines sphärischen Hohlraums mit 750 μm bzw. 650 μm Durchmesser untersucht. Als Heizlaser diente der frequenzverdoppelte nhelix Strahl (532 nm Wellenlänge) mit Energien bis zu 30 Joule und einer Pulsdauer von sechs bis sieben Nanosekunden Halbwertsbreite. Ein für die Temperaturmessung entworfenes Diodenspektrometer, dass bei vier Wellenlängen die Intensität des Röntgenlichts absolut misst, erlaubte die zeitaufgelöste Messung der Temperaturevolution im Hohlraum. Die thermische Strahlung ist nur während der Heizphase des Lasers existent und erreichte Spitzenwerte in der Temperatur zwischen 32 eV und 38 eV. Zusätzlich zur zeitlichen Charakterisierung wurde die Strahlung mit einem zeitintegrierenden Spektrometer vermessen. Die Beugungseffizienz des Gitters wurde durch Lösung der Maxwellgleichungen auf der Gitteroberfläche bestimmt. Mit dieser konnten die gemessenen Beugungsbilder, bei Annahme eines zeitintegrierten Planckschen Strahlers, sehr gut reproduziert werden. Die Temperaturen lagen im Bereich zwischen 33 eV und 36 eV in exzellenter Übereinstimmung mit den Messungen des Diodenspektromersters. Der Vergleich der experimentell gemessenen Temperaturen mit theoretischen Werten, die mit einem Skalierungsgesetz, das auf einer selbstähnlichen Lösung der hydrodynamischen Gleichungen beruht, berechnet worden sind, zeigt ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung. Neben den Parametern des Laserpulses und des Hohlraums gehen das Reflektionsvermögen der heißen Hohlraumwand (der Albedo) und die Konversionseffizienz von Laser- zu Röntgenlicht in das Modell ein. Ein Albedo von 0,75 und eine Konversionseffizienz von Laser- zu Röntgenenergie von 0,4 bis 0,5, die für die Berechnung angenommen wurden, sind konsistent mit veröffentlichten experimentellen Daten für die in dieser Arbeit verwendeten Laserparameter