Diagnostik und Simulation eines laserinduzierten Plasmakanals für Ionenstrahltransportexperimente

Bei Reaktorstudien zur schwerionengetriebenen Trägheitsfusion spielt die Fokussierung und der Transport der Schwerionen zum Pellet eine wichtige Rolle. Dabei müssen Ionenstrahlen mit einem Strom von einigen 10 kA über eine Strecke von mehreren Metern transportiert werden. Im Rahmen der amerikanischen ARIES-IFE Reaktorstudie werden zur Zeit drei Konzepte zum Strahltransport untersucht: der neutralisierte ballistische Transport, die weitgehende Neutralisierung des Ionenstrahls mit einem Hintergrundgas (self-pinched transport) und der Transport mit einem Plasmakanal (assisted pinch). Der Plasmakanal bietet den Vorteil, daß sehr intensive Ionenstrahlen transportiert werden können. Zum Heizen des Targets genügen daher 2 Ionenstrahlen, während in den anderen Konzepten mehrere dutzend Teilstrahlen nötig sind, um eine zu starke Aufweitung der Strahlen zu verhindern.Untersuchungen zu den Transporteigenschaften des Plasmakanals wurden an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berekeley National Laboratory (LBNL) durchgeführt. Während am LBNL nur die Kanaleigenschaften untersucht wurden, können an der GSI auch die Transporteigenschaften für Schwerionenstrahlen überprüft werden. Für die Messungen wird eine Entladungskammer eingesetzt, die am Strahlzweig Z4 des UNILAC-Linearbeschleunigers der GSI aufgebaut ist. Der Plasmakanal wird in der Kammer erzeugt, indem zunächst mit einem Laser das Gas auf der Strahlachse erhitzt und expandiert und anschließend eine Gasentladung gezündet wird.Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil befaßt sich mit der Simulation des Plasmakanals. Dazu wird eine eindimensionale, magnetohydrodynamische Simulation namens Cyclops verwendet. Sie wurde am LBNL entwickelt und ist in der Programmiersprache Fortran 90 implementiert. Diese Simulation mußte an die Gegebenheiten der GSI angepaßt werden. Neben neuen Ausgaberoutinen für die Ergebnisse der Rechnungen wurde ein neuer Simulationsmodus in das Programm integriert. Mit ihm kann die Expansion des Gases, dem ein laserinduziertes Temperaturprofil aufgeprägt wurde, simuliert werden. Da am LBNL und an der GSI verschiedene Gase in der Kammer verwendet wurden, waren außerdem Änderungen in den Stoffmodellen nötig. Mit Cyclops wurden anschließend die verschiedenen Phasen der Entladung simuliert, um ein besseres Verständnis von den bei der Entladung stattfindenden Vorgängen zu gewinnen.Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Simulationsergebnisse mit durchgeführten Messungen verglichen. Um die Entwicklung der Gasdichte zu bestimmen, kam ein neues Verfahren zum Einsatz, das auf der Aufstreuung des Ionenstrahls im Kammergas beruht. Außerdem wurde mit einem Michelson-Interferometer die Elektronendichte im Entladungsplasma gemessen