Characterization and optimization of an x-ray laser for the spectroscopy of Li-like heavy-ions

Abstract

Recent developments in the theory of plasma-based collisionally excited x-ray lasers (XRL) have shown an optimization potential based on the dependence of the absorption region of the pumping laser on its angle of incidence on the plasma. For the experimental proof of this idea, a number of diagnostic schemes were developed, tested, qualified and applied. A high-resolution imaging system, yielding the keV emission profile perpendicular to the target surface, provided positions of the hottest plasma regions, interesting for the benchmarking of plasma simulation codes. The implementation of a highly efficient spectrometer for the plasma emission made it possible to gain information about the abundance of the ionization states necessary for the laser action in the plasma. The intensity distribution and deflection angle of the pump laser beam could be imaged for single XRL shots, giving access to its refraction process within the plasma. During a European collaboration campaign at the Lund Laser Center, Sweden, the optimization of the pumping laser incidence angle resulted in a reduction of the required pumping energy for a Ni-like Mo XRL, which enabled the operation at a repetition rate of 10 Hz. Using the experiences gained there, the XRL performance at the PHELIX facility, GSI Darmstadt with respect to achievable repetition rate and at wavelengths below 20 nm was significantly improved, and also important information for the development towards multi-100 eV plasma XRLs was acquired. Due to the setup improvements achieved during the work for this thesis, the PHELIX XRL system now has reached a degree of reproducibility and versatility which is sufficient for demanding applications like the XRL spectroscopy of heavy ions. In addition, a European research campaign, aiming towards plasma XRLs approaching the water-window (wavelengths below 5 nm) was initiated.

Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Theorie der plasmabasierten, Elektronenstoß-angeregten Röntgenlaser (XRL) haben ein Optimierungspotential aufgezeigt, das auf der Abhängigkeit des Absorptionsbereichs des Pumplasers von seinem Auftreffwinkel auf das Plasma beruht. Für eine experimentelle Verifizierung dieses Ansatzes wurden im Laufe dieser Arbeit mehrere Diagnostiken entwickelt sowie getestet, charakterisiert und eingesetzt. Ein hochauflösendes Abbildungssystem, das Emissions-Profile im keV-Bereich senkrecht zur Targetoberfläche lieferte, ermöglichte die Bestimmung der Positionen der heißesten Plasmabereiche, welche für die Bewertung und Verifizierung von Plasma-Simulations-Codes interessant sind. Die Intensitätsverteilung und der Ablenkungswinkel des Pumplaser-Strahls konnten für einzelne Röntgenlaser-Schüsse ermittelt werden, was Zugang zum Beugungsprozeß innerhalb des Plasmas gewährt. Während einer Strahlzeit im Rahmen einer europäischen Kollaboration am Lund Laser Center in Schweden gelang es durch die Optimierung des Pumplaser-Auftreffwinkels, die Reduktion der benötigten Pumpenergie für einen Ni-ähnlichen Mo XRL auszunutzen, um den Betrieb bei 10 Hz Repetitionsrate zu ermöglichen. Die Verwendung der hier gewonnenen Erfahrungen erlaubte es, die Leistungsfähigkeit des Röntgenlasers des PHELIX-Systems an der GSI Darmstadt auch bei Wellenlängen wesentlich unterhalb von 20 nm bezüglich der erreichbaren Schußrate zu steigern. Des weiteren ergaben sich wichtige Hinweise für Entwicklungen von XRLs in den Röntgenbereich von mehreren 100 eV. Aufgrund der Weiterentwicklung des Aufbaus, die während der Durchführung dieser Arbeit erreicht wurde, hat das PHELIX-Röntgenlasersystem einen Grad an Reproduzierbarkeit und Vielseitigkeit erreicht, der nun den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen wie der Röntgenlaser-Spektroskopie an schweren Ionen ermöglicht. Zudem wurde eine europäische Experimentierkampagne initiiert, die das Erreichen des Wasser-Fensters bei Wellenlängen unterhalb von 5 nm zum Ziel hat.