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Die vorliegende Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Erzeugung und Diagnostik eines HF-Plasmas in einem magnetischen Quadrupolfeld. Einen Schwerpunkt bildete dabei der Einfluss des magnetischen Quadrupolfeldes auf die Plasmaparameter Elektronentemperatur Te und Elektronendichte ne. Die Extraktion eines Ionenstrahls bietet die Möglichkeit, Zusammenhänge zwischen den erreichten Strahlparametern und den physikalischen Eigenschaften des HF-Plasmas herzustellen. Zudem wird eine Korrelation zwischen der Geometrie der Entladung, der erreichbaren Plasmaparameter und der eingespeisten HF-Leistung aufgezeigt werden. Zunächst wurde die Elektronentemperatur in Abhängigkeit vom eingestellten Gasdruck und von der Stromstärke in den Feldspulen des magnetischen Quadrupols vermessen. Die Emissionsspektroskopie bot sich hierbei als nicht invasive Diagnostik an. Eine umfangreiche Messreihe ergab schließlich ein Profil der Elektronentemperatur, als Funktion der variablen Parameter Gasdruck und Erregerstromstärke. Die Elektronentemperatur im Plasma lag dabei im Bereich zwischen 3eV ohne Magnetfeld bis maximal 11eV mit magnetischem Einschluss. Hierbei zeigten sich einige, auf den ersten Blick überraschende Ergebnisse. So ergab sich ein lokales Maximum der Elektronentemperatur von 11eV bei einem Gasdruck von 1Pa und einer Flussdichte von 11mT. Als physikalische Ursache konnte die Kombination aus zwei resonanten Heizmechanismen identifiziert werden. Sowohl die stochastische Heizung als auch die lokale Anwesenheit von Zyklotronresonanzbedingungen führten zu einer starken Erhöhung der Elektronentemperatur. Ferner konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die charakteristischen Eigenschaften des Quadrupolfeldes, das Entstehen dieser Heizmechanismen in einem engen Parameterbereich begünstigte. In diesem Zusammenhang ist die Ausprägung einer Gyroresonanzzone im HF-Plasma erwähnenswert, deren Ausdehnung mit dem Erregerstrom in den Feldspulen des Quadrupols skaliert und die einen maßgeblichen Einfluss auf die Ausprägung hochenergetischer Elektronen hat. Neben der Diagnostik stand auch die Extraktion eines Ionenstrahls im Vordergrund. Das Potential des Gesamtsystems, als Ionenquelle zu fungieren wurde dabei experimentell verifiziert. Spezifische Strahlstromdichten von 8mA/cm²kW konnten dabei erreicht werden. Es ergab sich hierdurch auch die Möglichkeit, einen Zusammenhang zwischen der Elektronendichte im Plasma und der eingespeisten HF-Leistung herzustellen. Die Ergebnisse dienten anschließen dazu, den Einschluss des Plasmas im magnetischen Quadrupolfeld zu quantifizieren. Beim Betrieb des Plasmagenerators ohne Magnetfeld wurden Elektronendichten von 3 . 1016m-3 erzielt. Mit fokussierendem Quadrupolfeld konnte eine lokale Steigerung der Elektronendichte um den Faktor 10 auf 3 . 1017m-3 dokumentiert werden, was die theoretischen Studien von C. Christiansen und J. Jacoby [Chr99], zu den fokussierenden Eigenschaften eines magnetischen Quadrupols, bestätigte. Große Sorgfalt war bei der Konzeption der HF-Einspeisung erforderlich. Da für Entladungsplasmen ein im hohen Maß nichtlinearer Zusammenhang, zwischen den Plasmaparametern und der eingespeisten HF-Leistung besteht, erwies sich die Entwicklung einer HF-Einkopplung als besondere Herausforderung. Hier zeigte sich die Plasmadiagnostik als unverzichtbares Hilfsmittel, um theoretische Vorhersagen und experimentellen Befund in Einklang zu bringen. Als limitierende Rahmenbedingungen erwiesen sich hier die Abmessungen des Quadrupols. In der vorliegenden Arbeit konnte dokumentiert werden, wie die geometrischen Einschränkungen die Auswahl der HF-Einkopplung bestimmten. Das zur Untersuchung des magnetischen Plasmaeinschlusses verwendete Glasrohr, mit einer verhältnismäßig großen Oberfläche und einem vergleichsweise kleinem Volumen, war für eine kapazitive HF-Einkopplung wesentlich besser geeignet als für die ursprünglich antizipierte induktive Plasmaanregung. Die physikalischen Zusammenhänge zwischen den erreichbaren Plasmaparametern, der verwendeten Koppelmethode, der erzielbaren Stromstärke des Ionenstrahls und den Abmessungen des Entladungsgefäßes, konnten durch eine umfassende Analyse aufgeklärt werden. Zudem wurde auch die Problematik des Zerstäubens von Elektrodenmaterial einer qualitativen Untersuchung unterzogen. Hier kristallisierten sich vor allen Dingen die hohen Randschichtpotentiale bei der verwendeten HF-Einkopplung, als physikalische Ursache für die Sputterrate heraus. Basieren auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine Maßnahme zur Reduzierung der Sputterproblematik vorgenommen. Die Untersuchung des magnetisch eingeschlossenen Entladungsplasmas brachte Einsichten über die Zusammenhänge zwischen gewählter HF-Einkopplung, den Plasmaparametern und den Rahmenbedingungen der Entladungsgeometrie. Es ergeben sich hierdurch wichtige Erkenntnisse, die eine Aufskalierung des vorliegenden Aufbaus hin zu einer Hochstromionenquelle mit spezifischen Strahlstromdichten von 100mA/cm²kW ermöglichen. Ferner ist auch ein Einsatz der Konfiguration als Plasmatarget möglich, um Wechselwirkungen zwischen hochenergetischen Schwerionen und magnetisch fokussierten Entladungsplasmen zu untersuchen.

Quantum entanglement plays a basic role in quantum information science. The creation of entanglement between qubits is of fundamental importance for further computation processing like quantum computation, quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computers… We present here a symmetric electron-electron scattering experiment to determine the experimental parameters which are necessary to produce a source of entangled electrons. In this Moeller scattering experiment the electrons differ from each other only by their spin direction. At these conditions a spin entanglement of the scattered electrons is expected. To demonstrate the spin entanglement, a single particle resolved spin measurement of the electrons has to be performed. A high ratio of measured coincidences compare to random could be demonstrated. It is shown, that this ratio is related to an experiment depended nearly constant efficiency for the coincidence detection. In order to proof the spin entanglement, the goal is to measure the final polarization state of the electrons at different scattering directions to observe a spin anti correlation between these spin states of the Moeller electrons. The usual method to determine the electron polarization is based on an asymmetric scattering experiment with a high Z target. This scattering may yield an asymmetry due to a different spin-orbit coupling of the electrons. The main problem of polarized electron studies at keV-particle energy is the low efficiency of usual spin polarimeters. This low efficiency impedes or prevents electron spin resolved coincidence measurements because of necessarily induced random coincidences. To enhance the efficiency of the spin detection, a new compact mini-Mott spin analyzer has been developed. Due to a compact small size of this analyzer, a higher efficiency is obtained now, which is a prerequisite to the electron spin resolved coincidence measurements. Till date, the asymmetry measurement have been performed where one Mott analyzer rotated by an angle around the axis. The reducing asymmetry is in agreement with a prediction of quantum mechanic; however, the large systematic errors of the measurement have been estimated. As a next step for investigation of spin entanglement it is planned to increase the overall efficiency of the experiment by having higher initial energy and minimize error of the measurement by applying new kind of detectors.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit haben Arbeiten am Elektronen-Streuexperiment von Prof. J. Jacoby und Dr. R. Berezov an der Goethe-Universität Frankfurt stattgefunden. Am Experiment wurden durch Møller-Streuung verschränkte Elektronen auf ihre Spin-Abhängigkeit untersucht. Die Untersuchung erfolgte als Koinzidenzmessung, dessen Genauigkeit von der zeitlichen Auflösung der Detektoren abhängt. Als Koinzidenzlogik diente ein von Julian Schunk entwickeltes Datenerfassungsprogramm, das auf einem Oszilloskop installiert wurde...

Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau von koaxialen Plasmabeschleunigern und deren Verwendung für die Untersuchung der Eigenschaften von kollidierenden Plasmen. Zukünftig sollen diese kollidierenden Plasmen als intensive Strahlungsquelle im Bereich der ultravioletten (UV-) und vakuumultravioletten (VUV-)Strahlung sowie in der Grundlagenforschung als Target zur Ionenstrahl-Plasma-Wechselwirkung Verwendung finden. Für diese Anwendungen steht dabei eine Betrachtung der physikalischen Grundlagen im Vordergrund. So sind neben der Kenntnis der Plasmadynamik auch Aussagen bezüglich der Elektronendichte, der Elektronentemperatur und der Strahlungsintensität von Bedeutung. Im Einzelnen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, durch eine Plasmakollision die Elektronendichte des Plasmas im Vergleich zu der eines einzelnen Plasmas deutlich zu erhöhen - im Maximalfall um den Faktor vier. Gleichzeitig stieg durch die Plasmakollision die Lichtintensität im Wellenlängenbereich der UV- und VUV-Strahlung um den Faktor drei an...

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.