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Thermodynamische Eigenschaften von schwerionengeheizten hochschmelzenden Metallen

Hug, Alexander :
Thermodynamische Eigenschaften von schwerionengeheizten hochschmelzenden Metallen.
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thermodynamische Eigenschaften von schwerionengeheizten hochschmelzenden Metallen
Language: German
Abstract:

Die Kenntnis grundlegender physikalischer Eigenschaften von Materie hoher Energiedichte (HED = engl."high-energy-density") wie die der Zustandsgleichung ist grundlegend für viele Bereiche in der Forschung und für physikalische Anwendungen. Allerdings ist die Herstellung solcher Zustände mit extremen Bedingungen wie Druck und Temperatur - die auch warme dichte Materie (WDM) genannt wird - im Labor nur in dynamischen Experimenten mit den leistungsfähigsten Treibern möglich. Am Hochtemperaturmessplatz HHT des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt werden hierfür intensive und hochenergetische Schwerionenstrahlen verwendet. Das Ziel dieser Arbeit ist, die thermophysikalischen Eigenschaften von hochschmelzenden Metallen in der festen, heißen sowie in der flüssigen Phase durch präzise Temperaturmessungen zu untersuchen. Um den Schmelzprozess eindeutig zu identifizieren und gleichzeitig die Temperatur nach oben zu begrenzen, wurde ein vergleichsweise lang anhaltender (eine Mikrosekunde) Uran- und Xenonstrahl zum Heizen der Targets aus der festen Phase heraus verwendet. Die intensiven Ionenstrahlen wurden mit einem Durchmesser im Bereich von einem Millimeter auf das Target fokussiert, um gleichmäßige Bedingungen zu erhalten. Die Temperatur an der Targetoberfläche wurde durch die Analyse der thermischen, von einem 0,03mm² großen Bereich emittierten, Strahlung auf fünf unterschiedlichen Wellenlängen berechnet. Um jedoch auf die physikalische Temperatur zu schließen, muss zusätzlich die Emissivität ermittelt werden, welche nicht ab inito bekannt ist. Dafür wurde ein Aufbau zur direkten Reflexionsmessungen entworfen und in das schnelle Mehrkanalpyrometer integriert. Die Signale liefern Informationen über die ablaufenden Modifikationen der Targetoberfläche während der Interaktion mit dem Ionenstrahl. Neben dem Aufbau für die Reflexionsmessungen und Pyrometrie wurden die Hard- und Software der allgemeinen Datenaufnahme für die Experimente mit Schwerionenstrahlen wesentlich erweitert. Die Emissivität wurde auch durch die Identifizierung des Schmelzprozesses und anschließender Gleichsetzung mit Literaturwerten berechnet. Mit dieser in situ Kalibrierung am Schmelzpunkt sowie durch Anwendungen von Graukörper- und X-Punkt-Modellen konnte für jedes Target und jede Wellenlänge des Pyrometers eine effektive Emissivität ermittelt werden. Dies ermöglicht die Berechnung der Temperatur bis zu 7.000K. Dieser Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung zweier hochschmelzender Metalle -Wolfram und Tantal. Dadurch konnten zwanzig und mehr Targets je Material und Experimentreihe untersucht werden, was eine gute Statistik fördert und zu reproduzierbaren Ergebnissen führt. Zum ersten Mal konnten die isobaren Wärmekapazitäten in der flüssigen Phase in schwerionengeheizten Experimenten für Wolfram mit 295+/-20 J/(kg K) und für Tantal mit 282+/-20J/(kg K) gemessen und mit Referenzen verglichen werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Knowledge of basic physical properties of matter in high-energy-density (HED) states such as the equation-of-state (EOS) is of fundamental importance for various branches of basic and applied physics. However, such matter under extreme conditions of temperature and pressure\,---\,also called ``warm dense matter''(WDM)\,---\,can only be generated in dynamic experiments employing the most powerful drivers. At the high temperature experimental area \hht\ of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (Darmstadt, Germany), intense beams of energetic heavy ions are used for this purpose. The aim of this work is to study thermophysical properties of refractory metals in hot solid and liquid states by precise temperature measurements. In order to identify the melting plateau and to limit the maximum target temperature to the region of interest, relatively long (one microsecond) bunches of uranium and xenon ions have been used to heat initially solid samples. The intense ion beams were focused on a millimetre spot at the target in order to achieve uniform conditions. The temperature on the target surface was determined by analysing thermal radiation emitted from a $\unit{0.03}{mm^2}$ area at five different wavelengths. In order to obtain the physical temperature, one has to measure not only the thermal radiation but also the emissivity, $\epsilon(T, \lambda)$ of the target surface which is not known \emph{ab inito}. For this purpose, a set-up for direct target reflection measurement was designed and embedded into the fast multichannel pyrometer system. The reflection signal provides the necessary information about modifications of the target surface properties during the interaction with the ion beam. Beside the pyrometric and reflection measurement set-ups, various hardware and software components of the data acquisition system for the heavy-ion beam driven experiments were substantially enhanced. The emissivity was also obtained by identifying the melting plateau and using the well-known values of the melting temperatures. By this \emph{in situ} calibration at the melting point and by using different models for emissivity such as grey-body model or X-point model, the effective emissivity can be calculated for each wavelength of the pyrometer. This enables the determination of physical target temperatures up to $\unit{7,000}{K}.$ This work focuses on two refractory metals\,---\,tungsten and tantalum. This made it possible to examine twenty or more targets per material and experiment, providing necessary statistics and proving reproducibility of the data. For the first time, the isobaric heat capacity in the hot expanded liquid states was measured in heavy-ion-beam driven experiments for tungsten ($\unit{295\pm20}{\JkgK}$) and tantalum ($\unit{282\pm20}{\JkgK}$). The obtained values were compared with other reported results.English
Series Name: GSI Diss.
Volume: 11/02
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 16 Jun 2011 07:14
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23563
Additional Information:

In Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzentrum für Scherionenforschung GmbH Darmstadt

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

In Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzentrum für Scherionenforschung GmbH Darmstadt

Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Refereed: 4 May 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2356
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