TU Darmstadt / ULB / tuprints

Abbildungseigenschaften von Szintillatoren für Schwerionenstrahlen und diesbezügliche Modellrechnungen

Gütlich, Eiko :
Abbildungseigenschaften von Szintillatoren für Schwerionenstrahlen und diesbezügliche Modellrechnungen.
TU Darmstadt Materialforschung, darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

[img]
Preview
PDF
Dissertation.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (26Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Abbildungseigenschaften von Szintillatoren für Schwerionenstrahlen und diesbezügliche Modellrechnungen
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit behandelt die Untersuchung der Abbildungseigenschaften von Leuchtschirmen für Hochstromionenstrahlen, wie sie am UNILAC des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt vorkommen. Leuchtschirme werden vorwiegend zur Messung und Beurteilung der transversalen Strahlparameter an nahezu jedem Teilchenbeschleuniger eingesetzt. Im täglichen Betrieb von Beschleunigern können mittels Leuchtschirmen sowohl die Lage des Strahls im Strahlrohr, als auch die transversale Intensitätsverteilung (Form des Ionenstrahls) kontrolliert und optimiert werden. Obwohl Leuchtschirme in vielen Messsystemen eingesetzt werden, sind ihre Qualitäten hinsichtlich der Abbildung des Ionenstrahls bisher nur unzureichend charakterisiert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Beschleunigerexperimete geplant und durchgeführt, welche es erlauben die Messergebnisse für das Ionenstrahlprofil von verschiedenen Materialien mit Referenzmethoden zu vergleichen. Bei den Messungen wurden verschiedenen Parameter, wie die Schirmtemperatur oder die Teilchenenergie, variiert. Zusätzlich wurden mögliche Abbildungsfehler des optischen Systems untersucht. Um einen möglichen Einfluss der Emissionspektren der Leuchtschirme auf die Abbildung des Ionenstrahlprofils zu untersuchen wurde ein geeigneter Experimentaufbau umgesetzt, der es erlaubt die Emissionsspektren der Materialien ortsaufgelöst entlang des Strahlflecks zu untersuchen. Die Untersuchungen fokussieren sich auf keramische Materialien wie unterschiedlich dotierte Zirkonoxide (wie ZrO2:Mg) oder auch Aluminiumoxid (Al2O3). Diese Materialien wurden mit verschiedenen Ionenstrahlen, wie Kalzium oder Uran, mit Teilchenenergien von 4,8 MeV/u (10% c) und 11,4 MeV/u (15,4% c) bestrahlt. Die Messergebnisse für die verschiedenen Parameter werden diskutiert und interpretiert. Dabei zeigen die Messergebnisse eine maßgebliche Abhängigkeit von vier Parametern:

• Dem Material selbst.

• Der Temperatur des Leuchtschirms.

• Der bereits akkumulierten Fluenz (Ionen/cm²).

• Der Anregungsdichte (Elektron-Loch-Paare/cm³), die proportional ist zur Dosisleistung (J/(kg*s)) im Volumenelement.

Letztere hängt wiederum stark vom Flux (Ionen/(cm²*s), der Ionenspezies, dem Material und der Geschwindigkeit des Ions ab. Speziell Al2O3 scheint geeignet zu sein, den Ionenstrahl bei UNILAC-Energien bis zu einer gewissen Anregungsdichte und Fluenz richtig abzubilden. Die spektroskopischen Messergebnisse von Al2O3 zeigen weiter eine Abhängigkeit der Abbildung von dem betrachteten spektralen Bereich. Hierbei scheint vor allem der Bereich um 330 nm über die Bestrahlungsdauer stabiler abzubilden als die Emissionen im optischen Bereich des Spektrums. Ein Teil der beobachteten Effekte lassen sich, vom gegenwärtigen Erkenntnisstand ausgehend, durch die zeitliche und räumliche Überlappung von Ionenspuren erklären, was ein Absinken der Lichtausbeute in diesem Bereich zur Folge hat. Es wurde ein Modell entwickelt, dass die beobachteten Abbildungseigenschaften von Al2O3 oberhalb von 400 nm erklären kann und Vorhersagen über sein Abbildungsverhalten bezüglich unterschiedlicher Ionenstrahlparameter, wie zum Beispiel der Ionensorte und der Teilchenenergie, ermöglicht.

Für die Auswertung der Experimentdaten wurden performante Programme in SciLab geschrieben, um eine verlässliche und reproduzierbare Datenevaluation zu garantieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis is treating the imaging properties of scintillating screens for high-current ion beams as delivered by the UNILAC at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany. Scintillating screens are mainly used to measure and rate the tansversal beam parameters in nearly every particle accelerator. During daily operation, scintillating screens can be used to determine and optimize the position of the beam inside the beam-pipe as well as the transversal intensity distribution. Although scintillating screens are widely used in many measurement systems, their imaging porperties are not well characterized. Within the framework of this thesis, accelerator based experiments were planed and carried out which allowed to compare the results of beam profile measurements of the different materials with reference methods. Parameters such as the screen temperature and particle energies have been varied. Additionaly, possible image distortions within the optical system have been investigated. To determine the influence of the emission spectra of the screens onto the profile measurement a novel experimentel setup for the spectroscopic investigations has been established. The setup allows to investigate the emission spectrum along one spatial axes on the beamspot. The investigations focus on ceramic materials such as zirconium oxide doped e.g. with Mg (ZrO2:Mg) or aluminium oxide (Al2O3). The materials have been irradiated with different ion species (e.g. Calcium and Uranium) with kinetic energies of 4.8 MeV/u (10% c) and 11.4 MeV (15% c). The results for different parameters are discussed and interpreted. The measured beam profiles show dependences of four parameters: • The material itself. • The screen temperature. • The accumulated fluence (Ions/cm²). • The excitation density (Electron-Hole-Pairs/cm³), which is proportional to the dose rate (J/(kg*s) within the volume element. Among the above, the last one depends on the beam flux(Ions/ (cm²*s)), the ion species, the materials and the ions velocity. Al2O3 seems to be an appropriate choice to image the ion beam at UNILAC energies up to a certain fluence. The spectroscopic investigations on Al2o3 show a dependence of the imaging properties on the observed region of the emission spectrum. The imaging properties of the spectral region around 330 nm seems to be more stable over the irradiation time compared to the optical part of the emission. Parts of the observed effects can be attributed to an overlap of ion excitation tracks in both space and time. This causes a decrease in light yield in the overlapping region. A model has been developed that is able to describe the observed imaging properties of Al2O3 in the spectral region above 400 nm. The model is also able to make predictions for the imaging properties with other beam parameters. For a fast and reproduceable data evaluation, programs have been written in SciLab, which have a good performance.English
Place of Publication: darmstadt
Uncontrolled Keywords: Szintillator, Leuchtschirm, Ionenstrahl, Profimessung, Strahlenschäden, Ion, Emittanz,
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Materialanalytik
Date Deposited: 09 Aug 2011 11:04
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26998
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and von Seggern, Prof. Dr.- Heinz
Refereed: 19 July 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2699
Export:

Actions (login required)

View Item View Item