Energieverlust und Ladungsverteilung von Calciumionen in dichtem, schwach gekoppeltem Kohlenstoffplasma

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Energieverlust und die Ladungsverteilung von Calciumio- nen (Energie: Ep = 3,5MeV/u), die mit einem dichten, schwach gekoppelten Kohlenstoff- plasma (Kopplungsparameter: Γ = 0,1 – 0,5 ) wechselwirken, untersucht. Der schwach gekop- pelte Plasmazustand wird durch volumetrisches Heizen einer Kohlenstofffolie mit thermischer Röntgenstrahlung erreicht. Zur Erzeugung der Röntgenstrahlung wird ein Doppelgoldhohlraum verwendet, in dem intensive Laserstrahlung in thermische Röntgenstrahlung konvertiert wird. Im Vergleich zu Vorgängerexperimenten konnte die Elektronendichte und die Plasma-Kopplung um eine Größenordnung gesteigert werden. In dieser Arbeit werden erstmals experimentel- le Ergebnisse für den Energieverlust und die Ladungsverteilung in diesem Parameterbereich präsentiert. Alle Experimente wurden am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt durchgeführt, welches die einzigartige Möglichkeit bietet, einen Schwerionenbeschleuniger und einen Hochenergielaser an einem Messplatz zu kombinieren. Ein intensiver Laserpuls (150J in 1ns mit λL = 527nm) wird in einen kugelförmigen Hohl- raum, mit einem Durchmesser von 600 μm fokussiert und erzeugt dort ein heißes Goldplasma auf der Hohlrauminnenwand, welches als effiziente Röntgenstrahlungsquelle dient. Im Hohl- raum bildet sich ein quasi-thermisches Strahlungsspektrum mit einer Strahlungstemperatur von Tr = (98 ± 6) eV aus. Diese Röntgenstrahlung wird in einen zweiten, sich daran anschließenden Zylinderhohlraum (Durchmesser: 1000μm, Länge: 950μm) geleitet und heizt dort zwei dün- ne Kohlenstofffolien (je 100μg/cm2) in einen dichten Plasmazustand. Die Strahlungstempera- tur im Sekundärhohlraum liegt bei Tr = (33 ± 5) eV. Diese indirekte Methode hat gegenüber der direkten Laserheizung den Vorteil, dass die Strahlungsenergie gleichmäßig im gesamten Probenvolumen und nicht nur in der unterkritischen Plasmakorona deponiert wird. Damit kann ein schnelles Ausdünnen des Plasmas und der Einfluss von Inhomogenitäten des Laserfokuses auf die Plasmaentwicklung vermieden werden. Des Weiteren bildet sich das Plasma aufgrund der Geometrie des Hohlraums und des hydrodynamischen Einschlusses entlang der Ionenstrahl- achse aus und kann so präzise mit den Ionenpulsen untersucht werden. Mit diesen Doppelhohl- räumen konnte ein vergleichsweise kaltes (T = 5 – 10 eV) und teilionisiertes (Zion = 2 – 4 ) Kohlenstoffplasma mit Elektronendichten von bis zu ne = 8 · 1021 cm−3 erzeugt werden. Das Plasma bleibt über einen Zeitraum von 5 ns in einem dichten und homogenen Zustand, so das es gut mit den 3 ns langen Ionenpulsen untersucht werden kann. Die Hohlraumtargets wurden in mehreren Iterationsschritten mit Hilfe von 2D-Hydrodynamiksimulationen und experimen- tellen Messungen optimiert und für die Anforderungen an kombinierte Ionenstrahlexperimente angepasst. Der Energieverlust, den der Ionenstrahl im Plasma erfährt, hängt empfindlich vom La- dungszustand des Projektils ab. Um den Einfluss der Plasmaparameter auf die Ladungsver- teilung des Ionenstrahls zu untersuchen, wurde eine vergleichende Simulationsstudie durch- geführt. Die Studie erstreckt sich über einen großen Parameterbereich mit Ionendichten von 1018 bis 1023 cm−3 und Temperaturen von 10 bis 200 eV. Die Ladungsverteilung des Ionen- strahls stellt sich durch das dynamische Gleichgewicht aller Ionisations- und Rekombinations- prozesse ein. Sowohl die Ionisations- und Rekombinationsraten wie auch die Zerfalls- und An- 1 regungsraten hängen hierbei auf unterschiedliche Weise von den Plasmaparametern ab. Diese Abhängigkeiten wurden mit einem eigens dafür entwickelten Monte-Carlo Code, der sämtliche Umladungsprozesse der Projektilionen bei Wechselwirkung mit den Plasmateilchen berücksich- tigt, für ein Calciumionenstrahl mit einer Energie von 3,5MeV/u in einem Kohlenstoffplasma simuliert. Das Hauptergebnis der Studie ist, dass sich, insbesondere im kalten, teilionisierten Plasma, Parameterbereiche finden lassen, in dem der mittlere austretende Ladungszustand des Ionenstrahls wegen einer Resonanz der dielektronischen Rekombination unter den Wert des Kaltgasgleichgewichtszustands sinkt. Dieser Effekt ist unerwartet, da im Plasma der Ladungszu- stand aufgrund der sinkenden Einfangwahrscheinlichkeiten von gebundenen Elektronen typi- scherweise erhöht ist. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass der Energieverlust im Plasma weniger vom Projektilladungszustand als vom Verhältnis freier zu gebundener Elektronen, also vom Plasmaionisationsgrad, abhängt. Der Energieverlust und die Ladungsverteilung wurden in mehreren experimentellen Kampag- nen ausführlich vermessen. Der Energieverlust wurde hierbei über eine Flugzeitmessung und die Ladungsverteilung mit Hilfe eines Magnetspektrometers bestimmt. Insgesamt wurde ein An- stieg des Energieverlustes um über 80 Prozent von (22 ± 3) keV/(μg/cm2) im kalten Kohlenstoff auf (40 ± 4) keV/(μg/cm2) im Plasma gemessen. Die experimentellen Ergebnisse liegen damit etwa 10 bis 15 Prozent über den theoretischen Vorhersagen. Die Messung der Ladungsverteilung der Ionen nach Wechselwirkung mit dem Plasma bzw. kalter Kohlenstofffolie zeigt, wie von den Simulationen in der Paramterstudie vorhergesagt, keine signifikante Erhöhung des mittleren Ladungszustandes im Fall von Plasma. Für den Festkörper wurde für den mittlerer Projektil- ladungszustand ein Wert von 16,8 ± 1,2 und für die Wechselwirkung mit Plasma ein Wert von 16,9 ± 1,4 gemessen

Frances Ellen Watkins (Harper)'s Forest Leaves

Edited edition of Frances Ellen Watkins (Harper)'s recently recovered ca. 1846 book of poems, _Forest Leaves_. Published through the Just Teach One: Early African American Print project, with an introduction by the coeditors

Structure and dynamics in protic ionic liquids: a combined optical Kerr-effect and dielectric relaxation spectroscopy study

The structure and dynamics of ionic liquids (ILs) are unusual due to the strong interactions between the ions and counter ions. These microscopic properties determine the bulk transport properties critical to applications of ILs such as advanced fuel cells. The terahertz dynamics and slower relaxations of simple alkylammonium nitrate protic ionic liquids (PILs) are here studied using femtosecond optical Kerr-effect spectroscopy, dielectric relaxation spectroscopy, and terahertz time-domain spectroscopy. The observed dynamics give insight into more general liquid behaviour while comparison with glass-forming liquids reveals an underlying power-law decay and relaxation rates suggest supramolecular structure and nanoscale segregation

Creation and characterization of free-standing cryogenic targets for laser-driven ion acceleration

A technique for the creation of free-standing cryogenic targets for laser-driven ion acceleration is presented, which allows us to create solid state targets consisting of initially gaseous materials. In particular, the use of deuterium and the methods for its preparation as a target material for laser-driven ion acceleration are discussed. Moving in the phase diagram through the liquid phase leads to the substance covering an aperture on a cooled copper frame where it is solidified through further cooling. An account of characterization techniques for target thickness is given, with a focus on deducing thickness values from distance values delivered by chromatic confocal sensors

Evidence for Fluctuating Wind in Shaping an Ancient Martian Dune Field: The Stimson Formation at the Greenheugh Pediment, Gale Crater

International audienceTemporal fluctuations of wind strength and direction can influence aeolian bedform morphology and orientation, which can be encoded into the architecture of aeolian deposits. These strata represent a direct record of atmospheric processes and can be used to understand ancient Martian atmospheric processes as well as those on Earth. The strata can: give insight to ancient atmospheric circulation, how the atmosphere evolved in response to global changes in habitability, and how ancient processes differ from modern processes. The Stimson formation at the Greenheugh pediment (Gale crater) records evidence of fluctuating wind across multiple temporal scales. The strata can be subdivided into three intervals-Gleann Beag, Ladder, and Edinburgh intervals. Internally, the intervals record changes of dune morphology and orientation, correlatable to wind fluctuations at multiple temporal scales. The basal Gleann Beag interval comprises compound cross-strata, deposited by oblique compound dunes. These dunes record a bimodal wind regime, resulting in net sediment transport toward the north. The Ladder interval records a reversal of sediment transport to the south, where straight-crested simple-dunes shaped by a seasonally variable winds formed. Finally, the Edinburgh interval records sediment transport to the west, where a unimodal wind formed sinuous-crested simple dunes. These observations demonstrate active and variable atmospheric circulation in Gale crater during the accumulation of the Stimson dune field, at multiple temporal scales from seasonally driven winds to much longer time-frames, during the Hesperian. These observations can be used to further understand ancient atmospheric conditions and processes, at a high temporal resolution on Mars