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Entwicklung, Aufbau und Test eines kontaktfreien Messverfahrens zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit dichter Plasmen

Ling, Johannes :
Entwicklung, Aufbau und Test eines kontaktfreien Messverfahrens zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit dichter Plasmen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung, Aufbau und Test eines kontaktfreien Messverfahrens zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit dichter Plasmen
Language: German
Abstract:

Intensive, stark fokussierte, relativistische Ionenstrahlen, wie sie am Hochtemperaturmessplatz HHT der Plasmaphysikgruppe des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH (GSI) zur Verfügung stehen, sind besonders gut geeignet, um Volumina von bis zu einem Kubikmillimeter mit einer Energiedichte von 1 kJ/g in Materie zu erzeugen. Dabei wird eine gute Homogenität der Verteilung physikalischer Parameter, wie Druck, Temperatur und Dichte erreicht. Die experimentelle Erforschung von Materie unter diesen extremen Bedingungen ist sowohl für viele Gebiete der Physik, wie der Astro- und Geophysik, als auch für die Grundlagenforschung von großem Interesse. Im Mittelpunkt stehen dabei die Energiegewinnung mithilfe der Trägheitsfusion, sowie die Bestimmung der thermodynamischen Zustandsgleichung (EOS: Equation Of State) und der Transporteigenschaften der Materie unter solchen Bedingungen. Die elektrische Leitfähigkeit ist eine der fundamentalen Eigenschaften eines jeden Materials. Das theoretische Verständnis über das Verhalten dieser Größe unter extremen Bedingungen hat zwar in den letzten Jahrzehnten bedeutende Fortschritte gemacht, dennoch gibt es keine vollständige und allgemeine Theorie der elektrischen Leitfähigkeit. Deswegen sind Messungen dieses Transportkoeffizienten von besonderer Bedeutung im Bereich der rundlagenforschung. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Hochfrequenzverfahren zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Materie unter extremen Bedingungen entwickelt und erstmals in einem Experiment mit durch Schwerionenstrahlen induzierten, dichten Plasmen eingesetzt. Das Messprinzip basiert auf einer kontaktfreien, nichtinvasiven Messmethode. Die Motivation besteht darin, bisherige Messungen auf der Basis einer Vierpunktmethode entscheidend zu verbessern, da sich im Vergleich eine ontaktfreie Messung deutlich besser von den Störungen des Ionenstrahls entkoppeln lässt und die Messung zudem eine höhere Ortsauflösung aufweist, da sie nur in sehr dünnen Schichten geringer lateraler Ausdehnung und nicht über das gesamte Volumen des geheizten Materials erfolgt. Dies ermöglicht eine bessere Korrelation mit optischen Temperaturmessungen, die ebenfalls nur an der Oberfläche stattfinden. Das Frequenzverhalten des zu diesem Zweck entwickelten Sensors wurde an festen, kalten Metallproben mit bekannter Leitfähigkeit getestet. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen Daten und den Ergebnissen aus numerischen Computersimulationen, mit Abweichungen unter 5%. Des Weiteren wurde eine Anlage aufgebaut, um den Sensor unter dynamischen Bedingungen, unabhängig von Experimenten mit intensiven Schwerionenstrahlen, zu testen. Diese Anlage ermöglicht die Beschleunigung von flüssigem Zinn mittels Druckluft auf Geschwindigkeiten über 20 m/s. Auch wenn die Größen wie Druck, Geschwindigkeit und Temperatur sich von denen in einem Experiment mit relativistischen Schwerionenstrahlen unterscheiden, trug die Messung zu einem besseren Verständnis der Ergebnisse dieser Experimente bei. Denn die gemessene Phasendifferenz von 45,0° ± 4,5° und die gemessene Amplitudendämpfung von 4,40% ± 0,07%, in dem Experiment mit flüssigem Zinn, liegen nahe bei den gemessenen Werten, die in dem Experiment mit einem durch Schwerionen induzierten Plasma gemessen wurden. Hier wurde eine mittlere Phasendifferenz von 58,0° ± 5,8° und eine Amplitudendämpfung von 13,50% ± 0,06% gemessen. Um zeitaufgelöste Messungen zu erhalten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Messelektronik aufgebaut, die eine Messung im Beireich von wenigen Nanosekunden unter den Bedingungen am HHT–Messplatz ermöglicht. Dies und die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse stellen einen hervorragenden Ausgangspunkt für zukünftige kontaktfreie Messungen der lektrischen Leitfähigkeit mit gleichzeitigen Messungen von Druck und Temperatur dar, insbesondere auch im Rahmen der Experimente des GSI Zukunftprojektes FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), bei denen zusätzlich eine gleichzeitige Bestimmung der Dichte schwerioneninduzierter Plasmen durch Protonenradiographie möglich sein wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Intense and strongly focused relativistic ion beams as delivered by the accelerator facilities of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research are an excellent tool to produce macroscopic volumes of the order of 1 mm^3 at high energy densities (HED) of about 1 kJ/g with very uniform physical conditions in pressure density and temperature. The experimental study of matter under extreme conditions is of considerable interest to various fields of physics like plasma physics, astrophysics and geophysics. This research focusses on the determination of the equation of state (EOS) and the transport properties of high energy density matter. One of its main applications is in inertial fusion energy. The electrical conductivity is a fundamental property of matter. Although the theoretical understanding improved over the last decade, there is no general theory which can explain the behaviour of this transport coefficient under extreme conditions. Therefore, the experimental study of this parameter is very important to fundamental research. The main goal of this work was the design, development and commissioning of a new high frequency, electromagnetic, non- contact measurement setup for the determination of the electrical conductivity of HED matter as produced by intense heavy ion beams. The main motivation for developing this setup was to provide a significant improvement over the classical four point technique, which is also employed in HED matter experiments. Measurements by this non-contact technique are less affected by the electromagnetic disturbance induced by the heavy ion beam and provide a better spatial resolution, due to the fact that only a surface layer of less than 1 mm^2 and 0,1 mm depth of the dense, hot material is actually investigated. Moreover, the design of the high frequency sensor allows simultaneous measurements of temperature and pressure. The frequency characteristics of the developed sensor have been determined by means of solid metallic samples with known electrical conductivity. Subsequent comparison showed good agreement with extensive numerical simulations. Furthermore, an additional experimental setup was established to test the sensor and the attached electronic measuring equipment under dynamical conditions, independently from ion beam experiments. The setup accelerates hot, liquid tin by means of compressed air up to velocities of 20 m/s and, although properties like pressure, density and temperature are fairly different from those in ion beam experiments, measurements with the test setup contributed to a better understanding of the main setup functionality. In the experiment with liquid tin a phase shift of 45,0° ± 4,5° and an amplitude attenuation of 4,40% ± 0,07% have been measured. These values are very close to the values measured in an experiment with a heavy ion induced plasma. There a phase shift of 58,0° ± 5,8° and an amplitude attenuation of 13,50% ± 0,06% have been measured. The results obtained in the experimental part of the work presented here have proven that both the sensor and the electronic measuring equipment fulfil the design requirements and provide an excellent basis for future simultaneous measurements of electrical conductivity, pressure and temperature. Moreover, with the advent of the PRIOR proton microscopy project and the future FAIR facility, precise density measurements will allow a complete characterisation of the HED sample under investigation.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 24 Mar 2011 11:13
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24813
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hoffmann, Prof. Dieter and Roth, Prof. Markus
Refereed: 7 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2481
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