Filamentierung relativistischer Elektronenströme und Anomales Stoppen

Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik steht das 10 Hz Lasersystem ATLAS zur Verfügung, dessen Pulse bei einer Dauer von 160 fs Energien bis zu 800 mJ erreichen und auf Intensitäten bis zu 1019 W/cm2 fokussiert werden können. Bei Bestrahlung dünner Festkörper-Folien (Targets) mit solchen Intensitäten werden zuerst Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten 1 beschleunigt. Diese Elektronen durchdringen das Target und verlassen es rückseitig in Richtung des Laserstrahles bei ponderomotiver Beschleunigung oder entlang der Targetnormalen bei Beschleunigung durch Resonanz-Absorption. Mit konventionellen Magnetfeld-Spektrometern kann nur die Energieverteilung derartiger Elektronenströme bis in den MeV-Bereich bestimmt werden. Da die Elektronen nach dem Target im Vakuum eine Wegstrecke von einigen cm zurücklegen müssen, unterliegen diese Ströme allerdings der Alfven-Grenze IA = 17,5 kA. Ab dieser Stromstärke werden die Elektronen von ihrem eigenen Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen, so daß der Teilchenfluß zusammenbricht bis der Alfven-Wert unterschritten ist. Bei Laser-Plasma-Experimenten können nun Stromstärken deutlich größer als 1 MegaAmpere auftreten, so daß man gezwungen ist, die Elektronen-Diagnostik unmittelbar mit dem Beschleunigungsbereich des Laser-Targets zu verbinden, wie dies bei der Messung von Röntgenstrahlung oder der Übergangsstrahlung möglich ist. Da der Energiebereich der Röntgendiagnostik um die 10 keV und optische Abbildungen wegen der kleinen Wellenlänge auf wenige Möglichkeiten eingeschränkt sind, können nur begrenzt Aussagen über die Auswirkungen von relativistischen Elektronen bei der Wechselwirkung mit Plasmen gemacht werden. Die Übergangsstrahlung ist sensitiv für den gesamten Energiebereich und deswegen eine Unterscheidung der Elektronen in Energie und dazugehöriger räumlicher Verteilung schwierig. Mit dem Cerenkov-Effekt steht in dieser Arbeit eine Diagnostik zur Verfügung, die auf Elektronenströme aus der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei relativistischen Intenstitäten >1018 W/cm2 anwendbar ist. Der Brechungsindex eines optisch transparenten Cerenkov-Mediums legt zusammen mit der optischen Abbildung des Cerenkov-Lichts (im sichtbaren Spektralbereich) den Energiebereich zwischen 180 keV und 230 keV - bei Trajektorien parallel zur Targetnormalen - fest. Mit sehr dünnen Cerenkov-Medien (z.B. 50 µm Tesafilm, direkt auf die Targetrückseite aufgeklebt) und einer schnell geschalteten CCD kann eine örtliche Auflösung bis zu 4 µm genutzt werden, um die Stromprofile und die Anzahl der Elektronen zu messen. Bei Aluminium- und Polypropylen-Targets mit einer Dicke bis zu 10 µm werden filamentierte Elektronenströme großer Dichte gemessen, die von dem Laserpuls in einem ausgedehnten Vorplasma beschleunigt werden. Mit zunehmender Targetdicke verschwindet die Filamentierung und geht in zwei breite Gauß-förmige Lichtverteilungen über. Entsprechend den experimentellen Verhältnissen werden diese beiden Elektronenströme den Beschleunigungsmechanismen der Resonanz-Absorption und der ponderomotiven Kraft zugeordnet. Auch im Fall der Filamentierung wird nachgewiesen, daß die Elektronen ponderomotiv beschleunigt werden. Dazu läßt sich die Anzahl der gemessenen Elektronen (proportional zur Anzahl der Cerenkov Photonen und zur Dicke des Cerenkov Mediums) als Funktion der Laser-Intensität auswerten. Darüber hinaus zeigen Experimente unter Einsatz einer weiteren Pockelszelle nach dem Regenerativen Verstärker, mit dem sich der ASE-Vorpuls (amplified spontaneous emission) mit einer Dauer zwischen 0,5 und 5 ns kontrollieren läßt, daß das Vorplasma einen wesentlichen Einfluß auf die Elektronenbeschleunigung hat. Die ASE-Intensität und -Energie ist groß genug (1012 W/cm2), um ein Vorplasma mit unterkritischer Dichte ( ) zu zünden, in dem die Länge des Dichtegradienten von der Größenordnung (100 µm) der Ringdurchmesser der filamentierten Strukturen ist. Der Durchmesser eines einzelnen Stromfilaments von mehr als 10 µm wird vor allem durch die Hintergrundplasmadichte eingestellt, in dem durch die Ladungstrennung starke Rückströme aufgebaut werden. In dieser Situation der sich begegnenden Ströme können die Magnetfelder zumindest teilweise kompensiert werden, so daß die Vorwärtsströme die Alfven-Grenze für die Stromstärke um viele Größenordnungen übersteigen können. Bei diesen Verhältnissen bilden sich über die Weibel-Instabiltiät die filamentierten Ringstrukturen, die bereits in entsprechenden 2D- und 3D-PIC-Simulationen (Particle-In-Cell) untersucht wurden. In diesem Zusammenhang wurde auch das sog. Anomale Stoppen vorhergesagt, das zu einem Energieübertrag der Elektronen an das Hintergrundplasma führt, der deutlich größer ist als bei klassischen Coulomb-Stößen. Das Anomale Stoppen geht zurück auf die Koaleszenz ("merging") benachbarter Filamente, die jeweils ein Vielfaches der Alfven-Stromstärke transportieren können. Die dabei aufgebauten starken elektrischen und magnetischen Felder (1010 V/cm, Mega-Gauss) beziehen ihren Energieinhalt aus der kinetischen Energie der Elektronen und Übertragen diesen in einer lokalen, räumlichen Expansion an die Plasma-Ionen. Durch Messung der Elektronenzahl in Abhängigkeit von der Target-Dicke kann die deutliche Abnahme der Stromstärke nach wenigen µm Festkörperdicke nachgewiesen werden. Anhand eines einfachen Modells wird der Energieübertrag numerisch simuliert und mit klassischen Verlustmechanismen verglichen