Einfluss statischer und quasistatischer Magnetfelder auf ...

Zusammenfassung
In der Arbeitsgruppe Plasmaphysik an der Gesellschaft für Schwerionenforschung
(GSI) mbH in Darmstadt werden unter anderem Energieverlustexperimente von
Ionen in vom Hochenergielasersystem nhelix erzeugten Plasmen durchgeführt.
Die Expansion von lasererzeugten Plasmen erfolgt dabei in alle drei Raumrichtungen.
Das bedeutet, dass die Masse des Plasmas auf der Wegstrecke der Ionen
durch die Expansion verringert wird. Für die Experimente wäre es aber von Vorteil,
wenn der Betrag der Masse des Plasmas über den Zeitraum, in dem der Ionenstrahl
durch das Plasma propagiert, konstant bliebe. Eine Kollimation des Plasmas durch
ein Magnetfeld, das parallel zur Propagationsrichtung der Ionen orientiert ist, würde
den Betrag dieser Masse durch die eindimensionale Expansion konstant halten.
Ziel dieser Arbeit ist den Einfluss von Magnetfeldern auf lasererzeugte Aluminiumplasmen
zu untersuchen. Dazu wurden zunächst die Magnetfelder von Neodym-
Eisen-Bor-Magneten vermessen und simuliert. Aus den Ergebnissen der Messungen
und Simulationen wurde dann ein Experimentaufbau erstellt, der neben der Erzeugung
eines magnetisierten Laserplasmas auch dessen Diagnose erlaubt. Um den
Einfluss stärkerer Magnetfelder auf ein Plasma zu untersuchen, wurde ein Elektromagnet
konstruiert, der durch einen Starkstrompuls ein dynamisches Magnetfeld erzeugte.
Innerhalb der Lebensdauer der betrachteten Laserplasmen ist die Änderung
dieses dynamischen Magnetfelds vernachlässigbar klein, so dass man ein quasistatisches
Magnetfeld annehmen kann.
Für den Experimentaufbau des quasistatischen Magnetfeldes war es nötig, die
Infrastruktur des nhelix zu verändern, indem eine nicht mehr benutzte Kondensatorbank
wieder in Betrieb genommen wurde.
Mit Hilfe eines Wollaston-Interferometers wurde ortsaufgelöst ein Vergleich
der Elektronendichtegradienten zwischen magnetisierten und unmagnetisierten Plasmen
durchgeführt. Zusätzlich zur Elektronendichtebestimmung wurde mit einer optischen
Schmierbildkamera die Dynamik des Plasmas untersucht.
Aus den Ergebnissen der Messungen werden Einflüsse des Magnetfelds auf die
lasererzeugten Plasmen deutlich. Bei einem transversal zur Ausbreitungsrichtung
orientierten Magnetfeld, erfolgt eine Aufheizung des gesamten Plasmas gegenüber
einem unmagnetisierten Plasma. Bei einer Laserintensität von 17 GW/cm2 ist das
Plasmaleuchten 10 ns länger beobachtbar. Außerdem werden die Elektronendichten
und deren Gradienten im expandierenden magnetisierten Laserplasma durch das
Magnetfeld erhöht. Das lasererzeugte Aluminiumplasma erfährt in einem transversalen
Magnetfeld von B = 0,34 T und einer Intensität des Lasers von 51 GW/cm2 8 km
eine Verzögerung von a = 4, 7 · 10 s2 . Außerdem kann bei einer Veränderung des
transversalen Strahlprofils ein Plasmajet durch die Wechselwirkung des Plasmas mit
dem Magnetfeld erzeugt werden.