Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Unerwartet heißes Plasma

21.04.2008
MPQ-Forscher entdecken mit neuer Technik unerwartete Eigenschaften von Laser-induzierten Stickstoff-Plasmen

Laserinduzierte Plasmen haben zahlreiche Anwendungen in der Kernfusion, der Teilchenbeschleunigung sowie für die Erzeugung von Röntgenstrahlung oder Attosekunden-Pulsen im extremen Ultraviolett.

Um die für den jeweiligen Zweck optimalen Eigenschaften einzustellen, bedarf es einer genauen Kenntnis der zeitlichen Entwicklung dieses Zustandes. Dr. Martin Centurion, Peter Reckenthäler und Dr. Ernst Fill aus der Abteilung Attosekunden- und Hochfeldphysik (Leitung Prof. Ferenc Krausz) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching) konnten nun mit einer neuartigen Abfrage-Technik die Plasma-Dynamik in Echtzeit verfolgen (Nature Photonics, DOI 10.1038/nphoton.2008.77).

Dabei zeigte es sich, dass durch ein so genanntes OFI (durch optische Felder induziertes) -Plasma wider Erwarten hohe elektrische und magnetische Felder aufgebaut werden. Diese Erkenntnis kann entscheidende Auswirkungen auf viele Anwendungen lasererzeugter Plasmen haben.

... mehr zu:
»Elektron »Pikosekunde »Plasma
Ein Plasma ist ein heißer und dichter Materiezustand, in dem sich Atome gewissermaßen in ihre Bestandteile - Kerne und Elektronen - aufgelöst haben, sodass positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen gleichberechtigt nebeneinander existieren. Nach gängigen Theorien ist das Innere eines Plasmas ein feldfreier Raum, in dem die elektrischen Ladungen gleichförmig verteilt sind. Nur innerhalb kleinster Dimensionen, der sogenannten Debye-Länge (etwa 0,1 Mikrometer) sollte es zu Fluktuationen von elektrischen Ladungen kommen. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich im Zentrum eines OFI-Plasmas offenbar ein positiv geladener Bereich herausbildet, den eine weit über die Debye-Länge herausreichende Wolke von Elektronen umgibt.

Zur Erzeugung eines OFI-Plasmas lassen die Wissenschaftler aus einer Düse Stickstoff strömen. Diesen Gasstrahl beschießen sie mit intensiven, nur 50 Femtosekunden (1 fs=10 hoch -15 sec) dauernden Laserpulsen aus dem sichtbaren Spektralbereich. Die hohen Feldstärken innerhalb der Pulse ionisieren die Atome und führen zur Plasmabildung im Laserbrennpunkt. Dieses Gasplasma wird anschließend mit drei Pikosekunden währenden Pulsen (1 ps = 10 hoch -12 sec) aus Elektronen bombardiert, die eine Energie von 20 Kiloelektronenvolt haben. Die Repetitionsrate der Laser- und Elektronenpulse beträgt 1 kHz (=1000 Pulse pro Sekunde).

Nach dem Passieren des Plasmas wird der Elektronenstrahl (Durchmesser: 3 mm) auf einem Detektor nachgewiesen. Die Wirkung des Plasmas auf den "Abfragestrahl" aus Elektronen spiegelt sich in deren Verteilung wieder: Für ein feldfreies Plasma würde man erwarten, dass die Elektronen den Detektor gleichmäßig bedecken und nur durch die Gasdüse abgeblockt werden. Die Experimente zeigten jedoch, dass auf dem Detektor ein interessantes, sich rasch veränderndes Muster entsteht.

Um die zeitliche Entwicklung des Plasmas zu verfolgen, wird die Zeit zwischen Laser- und Abfrage-Puls variiert. Die so im Abstand von wenigen Pikosekunden gewonnenen Aufnahmen (siehe Abbildung unten von links nach rechts) zeigen folgendes: zunächst - nach einigen wenigen Pikosekunden - entsteht im Bereich des Laserbrennpunkts ein "Loch" im Elektronenstrahl. Die hier fehlenden Elektronen sind offenbar in zwei keulenförmige Gebiete abgewandert, die sich entlang des Laserstrahls auf jeder Seite des Plasma-Gebietes ausbreiten. Diese Entwicklung hält etwa 80 Pikosekunden lang an. Dann häufen sich die Abfrage-Elektronen zu einem hellen "Fleck" im Zentrum an, sodass ihre Dichte hier sogar größer als im ursprünglichen Strahl ist. Nach etwa 300 Pikosekunden werden diese Muster allmählich unscharf.

Für diese Beobachtungen haben die Wissenschaftler folgende Erklärung: Bereits kurz nach der Erzeugung des Plasmas durch den Laserpuls formt sich im Zentrum ein positiv geladener Bereich, den eine Wolke heißer Elektronen umgibt. Durch diese Ladungstrennung entstehen elektrische und magnetische Felder, die die Elektronen des "Abfragestrahls" so ablenken, dass sich die oben beschriebene Verteilung ergibt.

Die Elektronenwolke reicht über das ursprüngliche Plasma hinaus, nach 100 Pikosekunden ist ihr Radius etwa 1000 mal größer als die Debye-Länge. Unter diesen Bedingungen wird der Abfragestrahl jetzt auf das Zentrum des Detektors fokussiert, was das Auftreten des hellen Flecks erklärt.

Numerische Simulationen, die auf diesen Annahmen beruhen, geben die experimentellen Daten gut wieder und erlauben es, Parameter wie Feldstärken, Gesamtladung und Elektronentemperatur zu berechnen. Sie zeigen, dass die beschriebenen Ladungsverteilungen nur dann auftreten können, wenn sich einige der Plasma-Elektronen extrem aufheizen und viel heißer werden als das Plasma selbst. Ein Prozess, der dies bewirken kann, sind Stöße der zurückkehrenden oszillierenden Elektronen mit den Atomkernen.

Die hier demonstrierte "Deflektometrie"-Technik vermag Änderungen der Plasma-Entwicklung innerhalb von einigen Pikosekunden mit einer räumlichen Auflösung von 30 Mikrometern einzufangen. Ihre hohe Empfindlichkeit beruht darauf, dass kleine Ladungsverschiebungen innerhalb des Plasmas sich als Störungen im räumlichen Profil des Elektronenstrahls bemerkbar machen. Die neue Methode birgt das Potential, die Physik lasererzeugter Plasmen besser zu verstehen und eventuell auf Plasmen basierende Elektronen- und Ionenbeschleuniger gezielt zu verbessern. [O.M.]

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Elektron Pikosekunde Plasma

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics