Röntgenthomsonstreuung als Diagnostik dichter Plasmen

Die Untersuchung exotischer, instabiler Materiezustände ist eine zentrale Aufgabe der modernen Experimentalphysik. Diese Zustände treten auf der Erde selten auf, spielen aber eine wichtige Rolle bei verschiedenen astrophysikalischen Vorgängen und sind für Entwicklungen im Bereich der Trägheitsfusion von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Verhalten von Materie bei hoher Dichte und moderater Temperatur untersucht. Hierzu wurde Röntgenthomsonstreuung bei zwei verschiedenen Experimenten als Diagnostik eingesetzt. Das erste Experiment behandelte die Dynamik des Zustandes von Lithiumfolien, die durch Laserpulse schockkomprimiert und geheizt wurden. Um eine möglichst homogene Kompression zu erreichen, kamen hierzu zwei Laserpulse zum Einsatz, die symmetrisch von beiden Seiten mit einer Intensität von 2.7*10^12 W/cm^2 und Pulsdauern von 4 ns auf Folien einer Dicke von 50 μm gelenkt wurden. Bei diesem Aufbau kann eine hohe Kompression erreicht werden, da sich, nach der Vorhersage hydrodynamischer Simulationen, die Schockwellen nach etwa 1.2 ns überlagern während sie noch durch die Heizlaser getrieben werden. Als Röntgenquelle für die Streudiagnostik wurde durch separate Laserpulse mit Pulsdauern von 1 ns ein Chlorplasma erzeugt, das Lyman-alpha-Strahlung mit einer Photonenenergie von 2.96 keV emittierte. Die gestreute Strahlung wurde unter einem Winkel von 120° von einem Röntgenspektrometer mit einem gekrümmten Reflektor aus hochorientiertem pyrolithischen Graphit in von Hamos Geometrie aufgenommen. Eine Variation des zeitlichen Abstands der Laserpulse ermöglichte es, die Dynamik der gemessenen Parameter zu bestimmen. Die Messungen ergaben Dichten im komprimierten Bereich von bis zu 1.3 g/cm^3 bei Temperaturen von 2.6 eV. Dies entspricht annähernd der dreifachen Festkörperdichte. Der Vergleich der Messergebnisse zu hydrodynamischen Simulationen zeigt die beste Übereinstimmung bei Verwendung der PROPACEOS-Zustandsgleichung für die Plasmaexpansion und dem QEOS-Modell für die Ionisationszustände. Im zweiten Experiment wurden die Eigenschaften von Kohlenstoff im Bereich des Schmelzpunktes untersucht. Hierzu wurde eine Graphitprobe mit der Festkörperdichte von 2.25 g/cm^3 durch ultrakurze, lasererzeugte Protonenstrahlen geheizt. Als Röntgenquelle diente die Helium-alpha-Linie eines Titanplasmas mit einer Photonenenergie von 4.75 keV, das durch einen zweiten Hochintensitätslaser erzeugt wurde. Die Emissionsdauer der Röntgenstrahlung lag in derselben Größenordnung wie die Laserpulsdauer von 18 ps. Damit waren sowohl die Dauer des Heizmechanismus als auch die diagnostische Wechselwirkungszeit deutlich kürzer als die Zeitskalen, auf denen eine hydrodynamische Expansion stattfindet. Durch das für lasererzeugte Protonenstrahlen typische exponentielle Energiespektrum ergab sich in der Probe ein ebenfalls exponentielles Temperaturprofil. Bei den erreichten Protonenenergien führte das zu einer teilweise geschmolzenen Probe. Der Vergleich der Streusignale verschieden stark geheizter und kalter Kohlenstoffproben erlaubte die Bestimmung des Anteils, der sich in der flüssigen Phase befindet. So konnten bis zu 70% der Probe in den flüssigen Zustand gebracht werden, was einer Masse von etwa 6 μg entspricht. Diese Daten wurden mit theoretischen Vorhersagen der SESAME-Zustandsgleichung sowie einer Zustandsgleichung verglichen, die aus ab-initio-Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie gewonnen wurde. Es ergibt sich, dass SESAME eine gute Beschreibung liefert, solange der flüssige Anteil der Probe nicht überwiegt. Bei zunehmender Energiedeposition in der Probe wird die Abweichung dieses Modells so groß, dass insgesamt die Dichtefunktionaltheorie eine bessere Übereinstimmung mit den Ergebnissen zeigt