Harte Röntgenstrahlung aus relativistischen Laserplasmen und ...

1 Einleitung
Die derzeit stärksten im Labor erreichbaren elektrischen Felder werden im Fokus
hochintensiver Laserpulse erzeugt. Wird ein Laserpuls räumlich stark kollimiert und
zeitlich komprimiert, so können die Lichtintensitäten im Fokus Werte von bis zu
10 21 W/cm 2 erreichen. Die zugehörige Feldstärke im Laserfokus ist um gut zwei
Größenordnungen höher als die atomare Feldstärke Eat = 5 · 10 9 V/cm im Wasser-
stoffatom. Da das elektrische Feld, welches ein K-Schalen-Elektron an den Atomkern
bindet, mit Z 3 skaliert, ist das Laserfeld der Größe 10 12 V/cm gerade gleich dem
Feld, welches ein K-Elektron in Kohlenstoff (Z = 6) an den Kern bindet. Das La-
serfeld ist somit in der Lage, Atome mit niedrigen Kernladungszahlen vollständig
zu ionisieren und Materie durch Feld- und Stoßionisation in ein heißes Plasma zu
verwandeln. Bezüglich Temperatur, Druck und Teilchendichte stellen diese Plasmen
extreme Materiezustände dar, die den Materieeigenschaften im Inneren von Ster-
nen nahe kommen [1]. Durch die Wechselwirkung mit hochintensiven Laserpulsen
können Laserplasmen zu mikroskopischen Beschleunigern werden, welche Elektronen
und Ionen innerhalb weniger Mikrometer bis auf Energien von vielen zehn Megaelek-
tronenvolt beschleunigen [2]. Die laserbeschleunigten hochenergetischen Elektronen
erzeugen bei der Wechselwirkung mit einem Festkörper Röntgenlinien- und hoch-
energetische Bremsstrahlung. Diese Röntgenemissionen stellen sehr brillante Strah-
lungsquellen dar [3, 4] und zeichnen sich besonders durch ihre kleinen Quellgrößen
und ultrakurzen Pulsdauern aus. Besonders die kurze Pulsdauer der Röntgenlinien-
strahlung wird in Pump-Probe-Experimenten zur Beobachtung der Festkörperdyna-
mik auf ultrakurzen Zeitskalen genutzt [3, 5, 6].
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung solch hochenergeti-
scher Röntgenstrahlung, die durch die Wechselwirkung eines hochintensiven Laser-
pulses mit Materie entsteht. Zum einen wird die Abhängigkeit der Kα-Emission von
der Laserintensität untersucht, zum anderen wird energiereiche Bremsstrahlung zur
Induzierung von Kernreaktionen verwendet.
Mit den Messungen zur Intensitätsabhängigkeit der Kα-Emission konnte erstmals
gezeigt werden, daß auch bei relativistischen Laserintensitäten hohe Konversionsef-
fizienzen von Laserenergie in Röntgenstrahlung erzielt werden können. Bisher wurde
immer davon ausgegangen, daß die Röntgenausbeute oberhalb einer optimalen Inten-
sität von etwa 10 16 und 10 17 W/cm 2 stetig abnimmt. Insbesondere sagt die analyti-
sche Modellierung der intensitätsabhängigen Kα-Erzeugung eine bei relativistischen
Intensitäten drastisch reduzierte Quellgröße von einigen Quadratmikrometern und
eine durch die Laserpulsdauer bestimmte Röntgenpulsdauer von unter 100 fs voraus.
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