Einfluss statischer und quasistatischer Magnetfelder auf ...

1 Einführung
sehr dichte Plasmen herzustellen, die Materiezuständen astrophysikalischer Plasmen
entsprechen.
Ein Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für eine weitere Forschung mit magnetisierten
Plasmen zu schaffen, um zu einem späteren Zeitpunkt mit PHELIX laborastrophysikalische
Experimente durchführen zu können. Zunächst aber sollen Energieverlustexperimente
vorbereitet werden, in denen auf der Wegstrecke der Ionen durch
das Plasma der Betrag der Masse konstant bleibt. Dies ist in der Regel bei Laserplasmen
nicht gegeben, da sie in alle drei Raumrichtungen expandieren. Dadurch
entsteht ein Massenfluss quer zur Propagationsrichtung der Ionen, der die Masse
auf der Wegstrecke der Ionen verringert. Um die Expansion des Plasmas quer zur
Propagationsrichtung der Ionen zu unterdrücken, muss eine Kollimation des Plasmas
erfolgen. Für das Erreichen dieser eindimensionalen Expansion können magnetische
Felder genutzt werden. Dies geschieht über den Effekt, dass unter bestimmten Bedingungen
die Plasmen nicht mehr in der Lage sind, quer zu magnetischen Flusslinien
zu propagieren [GR98]. Dabei werden entweder die magnetischen Flusslinien durch
das Plasma verdrängt oder das Plasma entlang der magnetischen Flusslinien geführt.
Dadurch können sie transversal zu den magnetischen Flusslinien an einer Expansion
gehindert werden. Die Felder zur Kollimation des Plasmas müssen demnach parallel
zur Propagationsrichtung der Ionen orientiert werden. Aus diesem Grund wird
im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss von magnetischen Feldern auf lasererzeugte
Plasmen diskutiert.
Untersuchungen an lasererzeugten Plasmen im Magnetfeld zeigen eine Vielzahl an
Einflüssen. So können sich in transversal zur Expansionsrichtung des Laserplasmas
orientierten Magnetfeldern Teilchenjets bilden [MRS89]. Plasmen in sehr starken
dynamischen Magnetfeldern (bis zu 20 T), die von Starkstrompulsen erzeugt werden,
zeigen 4 ns nach der Plasmaerzeugung starke Verschiebungen in der Elektronendichte
[FDM + 96]. Spektroskopische Untersuchungen in homogenen transversalen
Magnetfeldern zeigen, dass die Ionisation der Teilchen eine wichtige Rolle für deren
Dynamik im Plasma einnimmt [BBD + 96]. Ebenso emittieren diese Plasmen zwei bis
drei Mal mehr Röntgenstrahlung als unmagnetisiertes Plasma [PRS98]. Inhomogene
transversale Magnetfelder können eine Teilung des Plasmas in zwei keulenartige
Strukturen bewirken [NT99].
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Ermittlung des Einflusses von statischen und
quasistatischen Magnetfeldern auf lasererzeugte Plasmen, der in der Plasmadynamik
und der Änderung der Elektronendichtegradienten gezeigt wird. Die verwendeten
Magnetfelder haben am Ort des Laserplasmas eine magnetische Feldstärke von
0,34 T und werden durch Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) erzeugt.
Die magnetischen Flusslinien der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente waren
transversal zu der Ausbreitungsrichtung des Laserplasmas ausgerichtet, was eine
Abbremsung des Plasmas zur Folge hatte. Die kinetische Energie der abgebremsten
Teilchen wird dabei in eine Aufheizung des Plasmas umgewandelt, wodurch eine
größere Lebensdauer des beobachtbaren Plasmaleuchtens verursacht wird. Außerdem
wird die Elektronendichte und deren Gradient durch die Wechselwirkung mit
dem äußeren transversalen Magnetfeld erhöht. Eine andere Konfiguration sah ein
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