Experiments were performed to study electron acceleration by intense sub-picosecond laser pulses propagating in sub-mm long plasmas of near critical electron density (NCD). Low density foam layers of 300-500 μm thickness were used as targets. In foams, the NCD-plasma was produced by a mechanism of super-sonic ionization when a well-defined separate ns-pulse was sent onto the foamtarget forerunning the relativistic main pulse. The application of sub-mm thick low density foam layers provided a substantial increase of the electron acceleration path in a NCD-plasma compared to the case of freely expanding plasmas created in the interaction of the ns-laser pulse with solid foils. The performed experiments on the electron heating by a 100 J, 750 fs short laser pulse of 2-5×10 19 W cm −2 intensity demonstrated that the effective temperature of supra-thermal electrons increased from 1.5-2 MeV in the case of the relativistic laser interaction with a metallic foil at high laser contrast up to 13 MeV for the laser shots onto the pre-ionized foam. The observed tendency towards a strong increase of the mean electron energy and the number of ultra-relativistic laseraccelerated electrons is reinforced by the results of gamma-yield measurements that showed a 1000fold increase of the measured doses. The experiment was supported by 3D-PIC and FLUKA simulations, which considered the laser parameters and the geometry of the experimental set-up. Both, measurements and simulations showed a high directionality of the acceleration process, since the strongest increase in the electron energy, charge and corresponding gamma-yield was observed close to the direction of the laser pulse propagation. The charge of super-ponderomotive electrons with energy above 30 MeV reached a very high value of 78 nC.

A single wavelength heterodyne interferometer has been set up to investigate the free electron density integrated axially along the line of sight (line density) in a theta-pinch plasma to determine its applicability as a plasma target for ion beam stripping. The maximal line density reached in this experiment was 3 . 57 ± 0 . 28 × 10 18 cm−2 at 80 Pa and 20 kV. The findings demonstrate the pulsed character of the line density and its increase by raising the load voltage and the working gas pressure. Additionally, the results were compared with spectroscopic free electron density estimations, which were carried out by H β -line broadening and peak separation. The time behavior of the line density indicates that its peak value is delayed by about 10 µs compared to the spectroscopic results. This effect is due to the formation of an extended, magnetically compressed plasma column in the vicinity of the current maximum, although the highest volumetric free electron density is reached near the current zero crossing. Since the line density is an essential parameter in describing the stripping capabilities of the plasma target, the interferometric diagnostic is superior to a spectroscopic diagnostic, because it directly provides integrated values along the line of sight. Furthermore, the measurements of the line density in this experiment partially show nonphysical negative values, which is due to gaseous effects and residual shot vibrations.

A hydrogen theta-pinch plasma is diagnosed by two-color interferometry to determine the line density of the free electrons and the hydrogen gas. From the ratio of these line densities, the effective ionization can be calculated. The free electron line density and the effective ionization degree are the most essential quantities for the evaluation of the plasma regarding its applicability as a target in context of plasma ion beam interaction to increase the charge state of the ion beam (plasma stripper). The two-color interferometric diagnostic shows that both line densities exhibit a periodic behavior predefined by the periodic current and at the time the free electron line density reaches a local maximum, the hydrogen line density falls to a local minimum. This occurs, because the plasma is axially ejected from the coil center by evading the radial compression force of the magnetic field, creating an ionizing wave in the residual gas. The theta-pinch was set up in two versions, with one of them using a cylindrical coil and the other using a spherical coil. For the cylindrical version, the best working point regarding the free electron line density and the effective ionization degree is (1.45±0.04)·1018 cm-2 and (0.826±0.022) at 20 Pa and 16 kV. In contrast, for the spherical version, lower values of (1.23±0.03)·1018cm-2 and (0.699±0.019) at 20 Pa and 18 kV were found. Additionally, a new set-up is proposed for optimizing the plasma target regarding the free electron line density and the effective ionization degree, as well as how to maintain them on a sufficient level for several 10 µs.

Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen. Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet. Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert. Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019). Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden. Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ. Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.