X-ray optical diagnostic of laser produced plasmas for nuclear fusion and x-ray lasers [Elektronische Ressource] / von Randolf Butzbach

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• Publié par: friedrich-schiller-universitat_jena
• Publié le: 01 janvier 2001
• Nombre de lectures: 13
• Langue: Deutsch
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Extrait

X-Ray Optical Diagnostic of Laser Produced Plasmas
for Nuclear Fusion and X-Ray Lasers
D I S S E R T A T I O N
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
vorgelegt dem Rat der Physikalisch-Astronomischen Fakultat¨ der
Friedrich-Schiller-Universitat¨ Jena
von Dipl.-Phys. Randolf Butzbach
geboren am 16.02.1969 in KasselGutachter:
¨1. Prof. Dr. E. FORSTER
2. Prof. Dr. U. SCHUMACHER
¨3. Prof. Dr. G. DRAGER
Eingereicht am: 23. Oktober 2000
Prufungstermine:¨ 15. und 21. Dezember 2000
Tag der of¨ fentlichen Verteidigung: 4. Januar 2001For my parents
and Cec´ılia




Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Konzeption, Einsatz und Anwendung von torisch
gebogenen Kristallen fur¨ die rontgenoptische¨ Untersuchung von laserproduzierten Plas-
men zur lasergetriebenen Kernfusion sowie zur verstarkten¨ spontanen Emission ( Ront-¨
”
genlaser“) nahe dem sogenannten Wasserfenster dargelegt. Aus den gewonnenen Da-
ten konnen¨ elementare Plasmaparameter bestimmt werden.
Der erste Teil der Arbeit stellt einen Beitrag zur Untersuchung von Rayleigh-Taylor-
Instablitaten¨ dar, die der gewunschten¨ Verdichtung und Zundung¨ des Brennstoffes der
lasergetriebenen Kernfusion durch Tragheitseinschluss¨ entgegenwirken.
Ziel dieses Teils der vorliegenden Arbeit war es, eine abbildende Rontgenoptik¨ zu
entwickeln, die den hohen Anspruchen¨ zur Beobachtung der Rayleigh-Taylor-Instabi-
litaten¨ genugt,¨ d.h. ein rontgenoptisches¨ System zur zweidimensionalen monochroma-
tischen Abbildung bei gleichzeitig hoher Lichtstark¨ e, hoher Auflosung¨ ( 3 μm) so-
wie mindestens 400 μm Scharfentiefe.¨ Die Optik sollte am Hochleistungslaser GEK-
KO XII am Institute of Laser Engineering (ILE) an der Universitat¨ Osaka/Japan im
Rahmen des HIPER-Forschungsprogramms (High-Intensity Plasma Experimental Re-
search) zum Einsatz kommen.
2Grundlage dieser abbildenden Optik ist ein 7 7 mm großer torisch gebogener
Quarz Kristall, der bei einer Vergroßerung¨ von zunachst¨ 30 und spater¨ 70 verwen-
det werden soll.
Die Simulation der konstruierten Optik durch Strahlbahnverfolgungsrechnungen
zeigt, daß mittels torisch gebogener Kristalle die geforderten Bedingungen nicht nur
erreicht, sondern sogar ubertrof¨ fen werden konnen:¨ Die Rechnung ergibt eine zu er-
wartende Auflosung¨ von 1 μm bei einer Kristallapertur von 3.5 mm und einer Ver-
großerung¨ von 30 .
Jedoch konnte der experimentelle Nachweis der geforderten Auflosung¨ aufgrund
iii

von erhohten¨ Anforderungen an die Justage und technischen Problemen in der zur
Verfugung¨ stehenden Strahlzeit am benotigten¨ Hochleistungslaser noch nicht erfolgen.
Die beste in dieser Arbeit nachgewiesene Auflosung war 6 μm.
Als Weiterfuhrung¨ der Arbeit zum Nachweis der theoretisch zu erwartenden Auf-
losung¨ wird alternativ ein detailliert ausgearbeiteter Versuchsvorschlag unter Verwen-
dung eines Rontgengenerators¨ vorgestellt.
Der erste Teil dieser Arbeit schließt mit der qualitativen Diskussion der ersten er-
haltenen Bilder der beobachteten Rayleigh-Taylor-Instabilitaten.¨ Fur¨ eine detaillierte
Auswertung der Daten ist einerseits die erhaltene Datenmenge zu gering und anderer-
seits das Signal aufgrund von Problemen mit dem Lasersystem zu schwach.
Da einerseits die Untersuchung der Rayleigh-Taylor-Instabilitaten¨ großte¨ Wich-
tigkeit fur¨ die Fusionsforschung hat und andererseits die hier entwickelte Optik das
Herzstuck¨ “ des HIPER-Programms darstellt, wird diese Arbeit uber¨ das Ende des
”
hier gegebenen Zeitrahmens hinaus weitergefuhrt.¨ Es wird erwartet, daß die hier kon-
struierte Rontgenoptik¨ wichtige Erkenntnisse fur¨ das Design von zukunftigen¨ Brenn-
stoffkapseln liefert.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschaftigt¨ sich mit der spektral und eindimensio-
nal raumlich¨ aufgelosten¨ Beobachtung von laserproduzierten Plasmen zur verstarkten¨
spontanen Emission ( Rontgenlaser¨ “) nahe dem sogenannten Wasserfenster. Ziel der
”
Arbeit war es, mittels eines abbildenden Rontgenspektrometers¨ einen Zusammenhang
¨zwischen der verstarkten¨ Emission des nickelahnlichen¨ 4d 4p–Ubergangs und der
nickelahnlichen¨ 4 f 3d Resonanz nachzuweisen. Hierbei sollte das Rontgenspektrum¨
entweder zeitlich oder eindimensional raumlich¨ aufgelost¨ aufgezeichnet werden und
aus den gewonnenen Daten sollten weitergehende plasmaphysikalische Fragestellun-
gen wie Bestimmung der Elektronentemperatur und Elektronendichte in Abhangigk¨ eit
der raumlichen¨ Position im Plasma erfolgen.
Dazu wurde ein abbildendes Spektrometer auf Basis von torisch gebogenen Kri-
stallen entwickelt, welches entweder in Verbindung mit einer CCD-Kamera raumlich¨
aufgeloste,¨ aber zeitintegrierte Spektren lieferte oder in Verbindung mit einer Schmier-
bildkamera eine raumlich¨ integrierte, aber zeitaufgeloste¨ Aufzeichnung der Spektren
ermoglichte.¨
˚Das Spektrometer wird fur¨ den verwendeten Arbeitsbereich von 5.7–6.4 A voll-
standig¨ durch Strahlbahnverfolgungsrechnungen in Bezug auf den Einfluß der Quell-
iv















große,¨ Auslenkung der Quelle aus der Beugungsebene sowie Große¨ der Kristallaper-
tur charakterisiert, gefolgt von dem experimentellen Nachweis, daß die erreichbare
Auflosung¨ im vorliegenden Fall durch die Auflosung¨ der CCD-Kamera begrenzt wird.
Das Spektrometer wurde durch Vergleich der beobachteten Linienpositionen von
Al-Plasmen mit deren wohlbekannten Wellenlangen¨ in-situ kalbriert. Aus dem Ver-
gleich konnen¨ die genauen geometrischen Abstande¨ des Spektrometers erhalten wer-
den, durch welche umgekehrt die Dispersionsrelation vollstandig¨ beschrieben werden
kann. Wenn weiterhin eine kalibierte CCD-Kamera als Detektor verwendet wird, kann
die absolute Anzahl der vom Plasma emittierten Photonen erhalten werden.
Die plasmaphysikalischen Experimente wurden ebenfalls am Hochleistungslaser
GEKKO XII am ILE in Japanisch-Chinesisch-Franzosisch-Deutscher¨ Zusammenar-
beit durchgefuhrt.¨ Die Experimente bestatigen¨ den vermuteten Zusammenhang zwi-
¨schen der Emission der 4 f 3d-Linie und der verstarkten¨ Emission des 4d 4p Uber-
15 2gangs. Als optimale Pumplaserintensitat¨ wurde fur¨ Tantal (Ta) 1 5 10 W/cm er-
mittelt; ein Vorpuls von 4 % erhoht¨ die Ionisation in den Ni-ahnlichen¨ Zustand um das
bis zu 35–fache. Die weitergehende Auswertung der zeitlich und raumlich¨ integrier-
ten Spektren ergibt fur¨ Ta eine beobachtete Elektronentemperatur, die unabhangig¨ von
15 2der Pumplaserintensitat¨ im Bereich von 0 2 2 2 10 W/cm 150 eV betragt.¨
Mogliche¨ Ursachen fur¨ diese beobachtete konstante Temperatur werden diskutiert. Die
Auswertung der Elektronendichte der Ta-Plasmen zeigt einen linearen Zusammenhang
zwischen Pumplaserintensitat¨ und erreichter Dichte bei konstant gehaltener Plasma-
große.¨
¨Weiterhin konnte die Wellenlange¨ der 4 f 3d-Linien gemessen werden. Die Uber-
einstimmung der gemessenen Werte mit theoretischen Literaturwerten ist bei einer Ab-
˚weichung von 1 10 mA, abhangig¨ vom Autor und der Spektrallinie, sehr gut
bis gut.
Die Auswertung der Daten zeigt, dass eine detaillierte Aussage uber¨ die Elek-
tronentemperatur nur in Verbindung mit zeitaufgelosten¨ Spektren moglich¨ ist. Diese
konnten jedoch in der zur Verfugung¨ stehenden Strahlzeit bisher nicht gewonnen wer-
den, sind aber fur¨ die nachste¨ Experimentserie in voraussichtlich zwei Jahren geplant.
vContents
Zusammenfassung iii
Introduction 1
1 Studies on Hydrodynamic Instabilities 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Inertial Confinement Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Rayleigh–Taylor Instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 The principle layout of the experiment . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Monochromatic X-ray imager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Definition of resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Two-dimensional imaging using bent crystals . . . . . . . . . 15
1.2.3 Requirements of the camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.5 Design of the X-ray imager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.6 Calibration of the goniometer . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3 Imaging test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.1 Imaging test at GEKKO XII . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.2 Proposal for an imaging test at an X-ray generator . . . . . . 43
1.4 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.5 Preliminary results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . .