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

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.

Metastability exchange optical pumping in 3 He gas up to 30 mT: Efficiency measurements and evidence of laser-induced nuclear relaxation

Advances in metastability exchange optical pumping (MEOP) of 3He at high laser powers, with its various applications, but also at high gas pressures p3 and high magnetic field strengths B, have provided strong motivation for revisiting the understanding and for investigating the limitations of this powerful technique. For this purpose, we present systematic experimental and theoretical studies of efficiency and of relaxation mechanisms in B≤30 mT and p3=0.63−2.45 mbar. 3He nuclear polarisation is measured by light absorption in longitudinal configuration where weak light beams at 1083 nm parallel to magnetic field and cell axis with opposite circular polarisations are used to probe the distribution of populations in the metastable state. This method is systematically tested to evaluate potential systematic biases and is shown to be reliable for the study of OP dynamics despite the redistribution of populations by OP light. Nuclear polarisation loss associated to the emission of polarised light by the plasma discharge used for MEOP is found to decrease above 10 mT, as expected, due to hyperfine decoupling in highly excited states. However, this does not lead to improved MEOP efficiency at high laser power. We find clear evidence of additional laser-induced relaxation instead. The strong OP-enhanced polarisation losses, currently limiting MEOP performances, are quantitatively investigated using an angular momentum budget approach and a recently developed comprehensive model that describes the combined effects of OP, ME and relaxation, validated by comparison to experimental results.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

Untersuchungen zu Mechanismen der Laser-Teilchenbeschleunigung

Auf dem Gebiet der Teilchenbeschleunigung mittels Hochintensitäts-Lasern wurden in der letzten Dekade viele erfolgreiche Entwicklungen hin zu immer höheren Energien und größeren Teilchenzahlen veröffentlicht. In den meisten Fällen wurde der sogenannte TNSA-Prozess (engl. Target-Normal-Sheath-Acceleration (TNSA)) untersucht. Bei diesem Prozess erfolgt die Beschleunigung in dem an der Oberfläche durch Ladungstrennung erzeugten Potential. Ein kaum vermeidbares Problem ist hierbei das resultierende breite Energie-Spektrum der beschleunigten Teilchen. Diese Situation konnte in den letzten Jahren zwar verbessert, aber nicht vollständig gelöst werden. Für Intensitäten größer 10^(20..21) W/cm^2 sagen theoretische Modellrechnungen eine auf dem Lichtdruck basierende Beschleunigung (engl. Radiation-Pressure-Acceleration (RPA)) mit deutlich eingegrenztem, fast monoenergetischem Spektrum voraus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Experiment zur Untersuchung dieses Prozesses bei Intensitäten von einigen 10^19 W/cm^2 durchgeführt. Dazu wurden zunächst spezielle Targets entwickelt und als Patent angemeldet, welche den Experimentbedingungen angepasst sind. Durch die Auslegung des experimentellen Aufbaus und der Diagnostiken auf hohe Repetitionsraten, in Verbindung mit einem geeigneten Lasersystem, konnte auf Basis einer Statistik von mehreren Tausend Schüssen ein großer Parameterraum untersucht werden. Untersucht wurden unter anderem die Abhängigkeit von Targetmaterial und Dicke, Intensität, Laserpolarisation und Vorplasmabedingungen. Aus den gewonnenen Daten und Vergleichen mit 2-dimensionalen numerischen Simulationen konnte ein Modell des Beschleunigungsprozesses aufgestellt und durch Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen geprüft werden. Dabei wurden klare Indizien für die Existenz eines neuen, nicht feldinduzierten, Beschleunigungsprozesses gefunden. Darüber hinaus wurde zur Polarisationsbeeinflussung ein optisches System entwickelt, das ausschließlich mit reflexiven Elementen arbeitet. Damit konnten viele Nachteile bestehender, auf Verzögerungsplatten beruhender Elemente vermieden, und die Anwendbarkeit bei hohen Laserenergien erreicht werden.

Entwicklung kohärenter Lichtquellen im XUV-Regime

Plasmabasierte Röntgenlaser sind aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und schma-rnlen spektralen Bandbreite attraktive Diagnose-Instrumente in einer Vielzahl potentieller Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Mikroskopie und EUV-Lithografie. Dennoch sind Röntgenlaser zum heutigen Stand noch nicht sehr weit verbreitet, was vorwiegend auf eine zu geringe Pulsenergie und für manche Anwendungen nicht hinreichende Strahlqualität zurückzuführen ist. In diesem Zusammenhang wurden in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt. Die gleichzeitige Weiterentwicklung von Pumplasersystemen und Pumpmechanismen ermöglichte es, kompakte Röntgenlaserquellen mit bis zu 100 Hz zu betreiben. Um gleichzeitig höhere Pulsenergien, höhere Strahlqualität und volle räumliche Kohärenz zu erhalten, wurden intensive Studien theoretischer und experimenteller Natur durchgeführt. In diesem Kontext wurde in der vorliegenden Arbeit ein experimenteller Aufbau zur Kombination von zwei Röntgenlaser-Targets entwickelt, die sogenannte Butterfly-Konfiguration. Der erste Röntgenlaser wird dabei als sogenannter Seed für das zweite, als Verstärker dienende Röntgenlasermedium verwendet (injection-seeding). Aufrndiese Weise werden störende Effekte vermieden, welche beim Entstehungsprozessrndes Röntgenlasers durch die Verstärkung von spontaner Emission zustande kom-rnmen. Unter Verwendung des ebenfalls an der GSI entwickelten Double-Pulse Gra-rnzing Incidence Pumpschemas ermöglicht das hier vorgestellte Konzept, erstmaligrnbeide Röntgenlasertargets effizient und inklusive Wanderwellenanregung zu pum-rnpen.rnBei einer ersten experimentellen Umsetzung gelang die Erzeugung verstärkter Silber-Röntgenlaserpulse von 1 µJ bei 13.9 nm Wellenlänge. Anhand der gewonnenen Daten erfolgte neben dem Nachweis der Verstärkung die Bestimmung der Lebensdauer der Besetzungsinversion zu 3 ps. In einem Nachfolgeexperiment wurden die Eigenschaften eines Molybdän-Röntgenlaserplasmas näher untersucht. Neben dem bisher an der GSI angewandten Pumpschema kam in dieser Strahlzeit noch eine weitere Technik zum Einsatz, welche auf einem zusätzlichen Pumppuls basierte. In beiden Schemata gelang neben dem Nachweis der Verstärkung die zeitliche und räumliche Charakterisierung des Verstärkermediums. Röntgenlaserpulse mit bis zu 240 nJ bei einer Wellenlänge von 18.9 nm wurden nachgewiesen. Die erreichte Brillanz der verstärkten Pulse lag ca. zwei Größenordnungen über der des ursprünglichen Seeds und mehr als eine Größenordnung über der Brillanz eines Röntgenlasers, dessen Erzeugung auf der Verwendung eines einzelnen Targets basierte. Das in dieser Arbeitrnentwickelte und experimentell verifizierte Konzept birgt somit das Potential, extrem brillante plasmabasierte Röntgenlaser mit vollständiger räumlicher und zeitlicher Kohärenz zu erzeugen.rnDie in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse sind ein wesentlicher Beitrag zu der Entwicklung eines Röntgenlasers, der bei spektroskopischen Untersuchungen von hochgeladenen Schwerionen eingesetzt werden soll. Diese Experimente sind amrnExperimentierspeicherring der GSI und zukünftig auch am High-Energy StoragernRing der FAIR-Anlage vorgesehen.rn

Analyzing the effects of vertical acceleration and deceleration in multi-phase, debris-flow sediment-column experiments / by Christine Marie Williams.

Water-saturated debris flows are among some of the most destructive mass movements. Their complex nature presents a challenge for quantitative description and modeling. In order to improve understanding of the dynamics of these flows, it is important to seek a simplified dynamic system underlying their behavior. Models currently in use to describe the motion of debris flows employ depth-averaged equations of motion, typically assuming negligible effects from vertical acceleration. However, in many cases debris flows experience significant vertical acceleration as they move across irregular surfaces, and it has been proposed that friction associated with vertical forces and liquefaction merit inclusion in any comprehensive mechanical model. The intent of this work is to determine the effect of vertical acceleration through a series of laboratory experiments designed to simulate debris flows, testing a recent model for debris flows experimentally. In the experiments, a mass of water-saturated sediment is released suddenly from a holding container, and parameters including rate of collapse, pore-fluid pressure, and bed load are monitored. Experiments are simplified to axial geometry so that variables act solely in the vertical dimension. Steady state equations to infer motion of the moving sediment mass are not sufficient to model accurately the independent solid and fluid constituents in these experiments. The model developed in this work more accurately predicts the bed-normal stress of a saturated sediment mass in motion and illustrates the importance of acceleration and deceleration.

Measurement of the vascular input function in mice for DCE-MRI

DCE-MRI is an important technique in the study of small animal cancer models because its sensitivity to vascular changes opens the possibility of quantitative assessment of early therapeutic response. However, extraction of physiologically descriptive parameters from DCE-MRI data relies upon measurement of the vascular input function (VIF), which represents the contrast agent concentration time course in the blood plasma. This is difficult in small animal models due to artifacts associated with partial volume, inflow enhancement, and the limited temporal resolution achievable with MR imaging. In this work, the development of a suite of techniques for high temporal resolution, artifact resistant measurement of the VIF in mice is described. One obstacle in VIF measurement is inflow enhancement, which decreases the sensitivity of the MR signal to the presence of contrast agent. Because the traditional techniques used to suppress inflow enhancement degrade the achievable spatiotemporal resolution of the pulse sequence, improvements can be achieved by reducing the time required for the suppression. Thus, a novel RF pulse which provides spatial presaturation contemporaneously with the RF excitation was implemented and evaluated. This maximizes the achievable temporal resolution by removing the additional RF and gradient pulses typically required for suppression of inflow enhancement. A second challenge is achieving the temporal resolution required for accurate characterization of the VIF, which exceeds what can be achieved with conventional imaging techniques while maintaining adequate spatial resolution and tumor coverage. Thus, an anatomically constrained reconstruction strategy was developed that allows for sampling of the VIF at extremely high acceleration factors, permitting capture of the initial pass of the contrast agent in mice. Simulation, phantom, and in vivo validation of all components were performed. Finally, the two components were used to perform VIF measurement in the murine heart. An in vivo study of the VIF reproducibility was performed, and an improvement in the measured injection-to-injection variation was observed. This will lead to improvements in the reliability of quantitative DCE-MRI measurements and increase their sensitivity.

Performance evaluation of a miniature laser ablation time-of-flight mass spectrometer designed for in situ investigations in planetary space research

Key performance features of a miniature laser ablation time-of-flight mass spectrometer designed for in situ investigations of the chemical composition of planetary surfaces are presented. This mass spectrometer is well suited for elemental and isotopic analysis of raw solid materials with high sensitivity and high spatial resolution. In this study, ultraviolet laser radiation with irradiances suitable for ablation (< 1 GW/cm2) is used to achieve stable ion formation and low sample consumption. In comparison to our previous laser ablation studies at infrared wavelengths, several improvements to the experimental setup have been made, which allow accurate control over the experimental conditions and good reproducibility of measurements. Current performance evaluations indicate significant improvements to several instrumental figures of merit. Calibration of the mass scale is performed within a mass accuracy (Δm/m) in the range of 100 ppm, and a typical mass resolution (m/Δm) ~600 is achieved at the lead mass peaks. At lower laser irradiances, the mass resolution is better, about (m/Δm) ~900 for lead, and limited by the laser pulse duration of 3 ns. The effective dynamic range of the instrument was enhanced from about 6 decades determined in previous study up to more than 8 decades at present. Current studies show high sensitivity in detection of both metallic and non-metallic elements. Their abundance down to tens of ppb can be measured together with their isotopic patterns. Due to strict control of the experimental parameters, e.g. laser characteristics, ion-optical parameters and sample position, by computer control, measurements can be performed with high reproducibility. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

New fully kinetic model for the study of electric potential, plasma, and dust above lunar landscapes

We have developed a new fully kinetic electrostatic simulation, HYBes, to study how the lunar landscape affects the electric potential and plasma distributions near the surface and the properties of lifted dust. The model embodies new techniques that can be used in various types of physical environments and situations. We demonstrate the applicability of the new model in a situation involving three charged particle species, which are solar wind electrons and protons, and lunar photoelectrons. Properties of dust are studied with test particle simulations by using the electric fields derived from the HYBes model. Simulations show the high importance of the plasma and the electric potential near the surface. For comparison, the electric potential gradients near the landscapes with feature sizes of the order of the Debye length are much larger than those near a flat surface at different solar zenith angles. Furthermore, dust test particle simulations indicate that the landscape relief influences the dust location over the surface. The study suggests that the local landscape has to be taken into account when the distributions of plasma and dust above lunar surface are studied. The HYBes model can be applied not only at the Moon but also on a wide range of airless planetary objects such as Mercury, other planetary moons, asteroids, and nonactive comets.

Characterization Of Friction Stir Welded Joints Of Aa 2024-T351 - Native Vs. Treated By Laser Shock Processing

The paper presents a consistent set of results showing the ability of Laser Shock Processing (LSP) in modifying the overall properties of the Friction Stir Welded (FSW) joints made of AA 2024-T351. Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energies of several Joules and pulses durations of nanoseconds, LSP is able of inducing a compression residual stress field, improving the wear and fatigue resistance by slowing crack propagation and stress corrosion cracking, but also improving the overall behaviour of the structure. After the FSW and LSP procedures are briefly presented, the results of micro-hardness measurements and of transverse tensile tests, together with the corrosion resistance of the native joints vs. LSP treated are discussed. The ability of LSP to generate compressive residual stresses and to improve the behaviour of the FSW joints is underscored.

Ultraintense Lasers Applied to Laser Fusion Material Testing: Production of Ions, X rays and Neutrons

The ability of ultraintese lasers to create short pulses of energetic particles and high fluences is addressed as a solution to reproduce ion and X-ray ICF bursts for the characterization and validation of plasma facing components. The possibility of using a laser neutron source for material testing will also be discussed.

Physical characterization of laser interaction and shock generation in laser processing: coupled theoretical-experimental analysis

Outline: • Introduction • Fundamental Physics of the Laser-Plasma Interaction in Laser Shock Processing • Theoretical/Computational Model Description • Some Results. Analysis of Interaction Parameters • Experimental Validation. Diagnosis Setup • Discussion and Outlook

Laser Shock Processing influence on local properties and overall tensile behavior of friction stir welded joints

Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energy of several Joules and duration of nanoseconds, Laser Shock Processing (LSP) is capable of inducing a surface compressive residual stress field. The paper presents experimental results showing the ability of LSP to improve the mechanical strength and cracking resistance of AA2024-T351 friction stir welded (FSW) joints. After introducing the FSW and LSP procedures, the results of microstructural analysis and micro-hardness are discussed. Video Image Correlation was used to measure the displacement and strain fields produced during tensile testing of flat specimens; the local and overall tensile behavior of native FSW joints vs. LSP treated were analyzed. Further, results of slow strain rate tensile testing of the FSW joints, native and LSP treated, performed in 3.5% NaCl solution are presented. The ability of LSP to improve the structural behavior of the FSW joints is underscored.

Current-voltage response of a spherical plasma contactor

A theoretical model for a contactor, collecting electrons from an ambient, unmagnetized plasma and emitting a current Iiis discussed. The relation between Ii and the potential bias of the contactor is found to be crucial for the formation of a quasineutral core around the anode and, consequently, for the current colleted. Approximate analytical laws and charts for the current-voltage response are provided.

Thermoelectric assessment of laser peening induced effects on a metallic biomedical Ti6Al4V

Laser peening has recently emerged as a useful technique to overcome detrimental effects associated to another well-known surface modification processes such as shot peening or grit blasting used in the biomedical field. It is worth to notice that besides the primary residual stress effect, thermally induced effects might also cause subtle surface and subsurface microstructural changes that might influence corrosion resistance. Moreover, since maximum loads use to occur at the surface, they could also play a critical role in the fatigue strength. In this work, plates of Ti-6Al-4V alloy of 7 mm in thickness were modified by laser peening without using a sacrificial outer layer. Irradiation by a Q-switched Nd-YAG laser (9.4 ns pulse length) working in fundamental harmonic at 2.8 J/pulse and with water as confining medium was used. Laser pulses with a 1.5 mm diameter at an equivalent overlapping density (EOD) of 5000 cm-2 were applied. Attempts to analyze the global induced effects after laser peening were addressed by using the contacting and non-contacting thermoelectric power (TEP) techniques. It was demonstrated that the thermoelectric method is entirely insensitive to surface topography while it is uniquely sensitive to subtle variations in thermoelectric properties, which are associated with the different material effects induced by different surface modification treatments. These results indicate that the stress-dependence of the thermoelectric power in metals produces sufficient contrast to detect and quantitatively characterize regions under compressive residual stress based on their thermoelectric power contrast with respect to the surrounding intact material. However, further research is needed to better separate residual stress effects from secondary material effects, especially in the case of low-conductivity engineering materials like titanium alloys.