Wechselwirkung von schweren Ionen mit lasergetriebenem Plasma

Die folgenden Aspekte stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen im Z6-Experimentierbereich:

  • Der Energieverlust von Projektil-Ionen in idealen und nicht-idealen Plasmen
  • Die Ladungszustandsverteilung der Ionen, die das Plasma durchdringen
  • Ladungsaustauschprozesse in ionisierter Materie
  • Die Untersuchung der Plasmaeigenschaften durch den Energieverlust schwerer Ionen

Die nachstehende Abbildung gibt einen Überblick über die experimentelle Landschaft des Energieverlusts von Ionen in Plasmen. Sie zeigt den in früheren Experimenten untersuchten Parameterbereich als Funktion des Geschwindigkeitsverhältnisses vp/vth und des Elektronenkopplungsparameters Γ, der die Stärke der Elektron-Elektron-Kopplung in dem untersuchten Plasma quantifiziert. Wie die dokumentierten Experimente zeigen, ist nur eine begrenzte Anzahl von Gruppen und Einrichtungen in der Lage, diese Experimente durchzuführen. Ein wesentlicher Teil dieser Experimente wurde von der Plasmaphysikgruppe der TU Darmstadt in Zusammenarbeit mit der Plasmaphysikgruppe der GSI durchgeführt (Cayzac et al. 2017; Dietrich et al. 1990; Frank et al. 2013; Hoffmann et al. 1990; Jacoby et al. 1995; Ortner 2015; Roth et al. 2000).

In anderen Experimenten wurde die Wechselwirkung von Ionenstrahlen mit turbulentem Plasma untersucht, um die Mechanismen zu ermitteln, durch die nichtthermische Teilchen in astrophysikalischen Umgebungen wie dem Sonnenwind, Supernovaüberresten und Gammastrahlenausbrüchen beschleunigt werden. Dieses Thema steht im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsaktivitäten (Moczulski et al. 2024).

Verschiedene Versuchsaufbauten

Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Versuchsaufbauten, die im Versuchsfeld Z6 verwendet werden. Hier ist ein neuer Versuchsaufbau mit einem lasergenerierten Ionenstrahl zu sehen. Siehe mehr auf LIGHT. (Nazary et al. 2024).

Verschiedene Targets

Für die Erzeugung des Plasmatargets kommen verschiedene Ziele in Frage:

Direkt geheizte Folientargets weisen die folgenden Merkmale auf:

Exp Z6 target3a
  • Hohe Temperatur (T > 200 eV)
  • Plasma hoch/voll ionisiert
  • Plasma schnell expandierend
  • Energieverlust im idealen Plasma

Hohlraumtargets mit Folie/Schaumstoff weisen die folgenden Eigenschaften auf:

  • Homogen
  • Moderate Temperatur
  • Langsame Expansion
  • Energieverluste in nicht idealen Plasmen

Direkt geheizte Schäume weisen die folgenden Eigenschaften auf:

Exp Z6 target3c
  • Glättung der Laserenergie
  • Langsame Expansion
  • Überschallionisation

Das kryogene H-Target weist die folgenden Eigenschaften auf:

Exp Z6 target3d
  • Vollständig ionisiertes Plasma-Target
  • Ladungsaustausch durch freie Elektronen

Referenzen

Cayzac, W., Frank, A., Ortner, A., Bagnoud, V., Basko, M. M., Bedacht, S., Bläser, C., Blažević, A., Busold, S., Deppert, O., Ding, J., Ehret, M., Fiala, P., Frydrych, S., Gericke, D. O., Hallo, L., Helfrich, J., Jahn, D., Kjartansson, E., … Roth, M. (2017). Experimental discrimination of ion stopping models near the Bragg peak in highly ionized matter. Nature Communications, 8

(1), 15693. doi.org/10.1038/ncomms15693

Dietrich, K.-G., Hoffmann, D. H. H., Wahl, H., Haas, C. R., Kunze, H., Brandenburg, W., & Noll, R. (1990). Energy loss of heavy ions in a dense hydrogen plasma. Zeitschrift Für Physik D Atoms, Molecules and Clusters, 16

(4), 229–230. doi.org/10.1007/BF01437524

Frank, A., Blažević, A., Bagnoud, V., Basko, M. M., Börner, M., Cayzac, W., Kraus, D., Heßling, T., Hoffmann, D. H. H., Ortner, A., Otten, A., Pelka, A., Pepler, D., Schumacher, D., Tauschwitz, A., & Roth, M. (2013). Energy Loss and Charge Transfer of Argon in a Laser-Generated Carbon Plasma. Physical Review Letters, 110

(11), 115001. doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.115001

Hoffmann, D. H. H., Weyrich, K., Wahl, H., Gardés, D., Bimbot, R., & Fleurier, C. (1990). Energy loss of heavy ions in a plasma target. Physical Review A, 42

(4), 2313–2321. doi.org/10.1103/PhysRevA.42.2313

Jacoby, J., Hoffmann, D. H. H., Laux, W., Müller, R. W., Wahl, H., Weyrich, K., Boggasch, E., Heimrich, B., Stöckl, C., Wetzler, H., & Miyamoto, S. (1995). Stopping of Heavy Ions in a Hydrogen Plasma. Physical Review Letters, 74

(9), 1550–1553. doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.1550

Ortner, A. (2015). Energieverlust und Ladungsverteilung von Calciumionen in dichtem, schwach gekoppeltem Kohlenstoffplasma

[Technische Universität Darmstadt]. tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4967

Moczulski, K., Wen, H., Campbell, T., Scopatz, A., Palmer, C. A. J., Bott, A. F. A., Arrowsmith, C. D., Beyer, K. A., Blazevic, A., Bagnoud, V., Feister, S., Halliday, J., Karnbach, O., Metternich, M., Nazary, H., Neumayer, P., Reyes, A., Hansen, E. C., Schumacher, D., … Tzeferacos, P. (2024). Numerical simulations of laser-driven experiments of ion acceleration in stochastic magnetic fields. Physics of Plasmas, 31

(12). doi.org/10.1063/5.0223496

Roth, M., Stöckl, C., Süß, W., Iwase, O., Gericke, D. O., Bock, R., Hoffmann, D. H. H., Geissel, M., & Seelig, W. (2000). Energy loss of heavy ions in laser-produced plasmas. Europhysics Letters (EPL), 50

(1), 28–34. doi.org/10.1209/epl/i2000-00230-6

Nazary, H., Metternich, M., Schumacher, D., Neufeld, F., Grimm, S. J., Brabetz, C., Kroll, F., Brack, F.-E., Blažević, A., Schramm, U., Bagnoud, V., & Roth, M. (2024). Towards ion stopping power experiments with the laser-driven LIGHT beamline. Journal of Plasma Physics, 90

(3), 905900302. doi.org/10.1017/S0022377824000576


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