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Aufbau und Inbetriebnahme einer Kryoanlage zur Targeterzeugung für Experimente mit Hochenergielasern und Schwerionenstrahlen

Menzel, Jurij :
Aufbau und Inbetriebnahme einer Kryoanlage zur Targeterzeugung für Experimente mit Hochenergielasern und Schwerionenstrahlen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aufbau und Inbetriebnahme einer Kryoanlage zur Targeterzeugung für Experimente mit Hochenergielasern und Schwerionenstrahlen
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurde ein Kryosystem zur Erzeugung von Festkörpertargets entwickelt, mit dem Targets aus Materialien wie Edelgasen und Stickstoff, aber auch Wasserstoff und Deuterium präpariert werden können. Für die Entwicklung der Targets wurde eine Kryo-Test- und Entwicklungskammer aufgebaut, die es erlaubt, Kryotargets unabhängig von Experimentierplätzen zu entwickeln. Hierbei wurde darauf Wert gelegt, ein System zu konstruieren, das möglichst transportabel ist und gut an verschiedenen Messplätzen implementiert werden kann. Es wurden kryogene Targets in verschiedenen Geometrien erzeugt. Insbesondere Targets mit einem großen Aspektverhältnis, die nur wenige Mikrometer dick sind aber deren Ausdehnung in lateraler Richtung um ein Vielfaches größer ist, sind für die geplanten Experimente interessant. Diese lassen sich mit Lasern relativ homogen heizen, was die Messung des Energieverlustes von Schwerionen unter wohl definierten Bedingungen im Plasma ermöglicht. Im Hinblick auf Energieverlustmessungen wurde auch eine Targetgeometrie untersucht, die kryotechnisch leicht umzusetzen ist. Hierfür wurden kryogene Stickstofftargets mit cm-Abmessungen erzeugt und mit dem nhelix Hochenergielasersystem bestrahlt. Es wurden sowohl die freie Elektronendichte im Plasma im Bereich bis 10^20 cm^(-3) als auch die Elektronentemperatur im Bereich von 200 eV bestimmt. Die freie Elektronendichte aus dem entstehenden Plasma wurde mit Simulationsrechnungen verglichen und in Hinblick auf eine Energieverlustmessung analysiert. Die Elektronendichten zeigen über einen weiten Bereich eine gute Übereinstimmung zwischen den Messdaten und den Daten der Simulation. Für eine Energieverlustmessung ergab sich eine zu geringe und zu inhomogene Teilchendichte. Daher wurden andere Targets entwickelt. Für weitere Experimente wurden kryogene Deuteriumtargets mit großem Aspektverhältnis in verschiedenen Geometrien erzeugt. Mit einem Schwerionenstrahl vom UNILAC wurde das Target auf Durchlässigkeit untersucht und gezeigt, dass der Ionenstrahl das Target durchdringen kann. Ebenso wurde das Target gleichzeitig mit den Hochenergielasersystemen nhelix und Phelix bestrahlt und die freie Elektronendichte des Deuteriumplasmas bestimmt, die mit Simulationsrechnungen verglichen wurde, wobei sich wie bei den Experimenten mit kryogenem Stickstoff eine gute Übereinstimmung zwischen den Messdaten und den Daten der Simulation ergab. Um das Target unabhängig vom UNILAC charakterisieren zu können, ist eine Messmethode ohne Schwerionenstrahl entwickelt worden. Zur Bestimmung der Dicke von Deuteriumtargets wurde eine Elektronenquelle mit Strahlführung aufgebaut, die eine zeitaufgelöste Messung an Targets mit einem großen Aspektverhältnis erlaubt. Durch die Untersuchung mit einem Elektronenstrahl wurde die zeitliche Entwicklung von Targetdicken kleiner als 200 micrometer mit einer relativen Genauigkeit von 12% im für Energieverlustmessungen relevanten Bereich bestimmt. Hierfür wurden Simulationsrechnungen durchgeführt, die auch mit Messungen mit Folien aus Kohlenstoff verglichen wurden, wobei sich eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten ergab. Diesen Messungen entsprechend weisen die hergestellten Deuteriumtargets für eine ausreichend lange Zeit von einigen Minuten eine für Energieverlustmessungen geeignete Dicke auf.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Part of this work was the development of a cryogenic system to produce solid state targets out of nitrogen and rare gases but also hydrogen and deuterium. For target optimization a portable cryogenic test and development chamber has been set up, which can be used offline at different experimental places. Cryogenic targets with different geometries have been produced. Targets with a high aspect ratio having a thickness of only a few micrometers and transverse sizes of millimeters are of special interest for the envisioned investigations. Such targets permit the generation of laser plasmas with a high degree of homogeneity, thus enabling the measurement of the ion energy loss under well defined conditions. Nevertheless, high aspect ratio targets are technologically demanding. Thus, in view of energy loss experiments a simpler geometry has also been considered. Therefore, cryogenic nitrogen targets with cm sizes have been produced and irradiated by the nhelix high energy laser system. The free electron density of the generated plasma has been measured in the range up to 10^20 cm^(-3). The measured electron temperature was about 200eV . The experimental results have been compared to computer simulations and analyzed. It turned out that simulation and experiment are in good agreement, but the free electron density was too low and inhomogeneous for reliable energy loss experiments. Therefore, further deuterium targets with a high aspect ratio but varying geometries have been produced. These targets have been probed by the UNILAC ion beam and it has been shown that the ion beam can penetrate through them. The targets have also been simultaneously irradiated by the high energy laser systems nhelix and Phelix. The free electron density inside the deuterium plasma has been measured and compared with computer simulations. As in the case of nitrogen plasmas a good agreement has been observed. A new measurement technique has been developed to characterize the target independently of the UNILAC ion beam. An electron source together with a focussing and steering system has been set up to measure the thickness of deuterium targets. This permit a time resolved measurement of the thickness of high aspect ratio targets. The evolution of the thickness below 200 micrometer has been determined with a relative error of 12% within the range of interest for energy loss experiments. Computer simulations have been performed and also compared to measurements with carbon foils. A good agreement has been observed. According to these measurements deuterium targets have a suitable thickness for a time interval of several minutes and therefore can be successfully used in energy loss experiments.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 23 Feb 2010 14:03
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20616
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Refereed: 10 February 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2061
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