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Energy Loss Dynamics of Intense Heavy Ion Beams Interacting with Dense Matter

Varentsov, Dmitry :
Energy Loss Dynamics of Intense Heavy Ion Beams Interacting with Dense Matter.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Energy Loss Dynamics of Intense Heavy Ion Beams Interacting with Dense Matter
Language: English
Abstract:

Intense heavy ion beams are an excellent tool to create large volumes of high energy density (HED) matter with very uniform physical conditions. Experimental study of matter under extreme conditions of density, temperature and pressure is of considerable interest to fundamental research in the fields of plasma physics, equation-of-state (EOS) of matter, astrophysics, geophysics and for the Inertial Fusion Energy applications as well as for designing basic nuclear physics experiments. One important problem in high-energy-density matter research is investigation of physical processes that occur during the slowing down of intense beams of energetic heavy ions in matter. High energy density induced by an intense heavy ion beam in an initially solid target leads to the creation of macroscopic volumes of dense, strongly coupled plasmas. Due to the fast hydrodynamic response of the heated target material, the line density of the target decreases and consequently the energy loss of the ion beam penetrating through the target is also reduced. Therefore measuring the energy loss of the ion beam during the interaction would provide important information about the physical processes in HED matter. At the GSI-Darmstadt, intense beams of energetic heavy ions have been used to generate HED states in matter by impact on solid targets. A novel diagnostic technique for the HED matter experiments, where the same intense beam of energetic heavy ions that heats the target material is used to provide information about the physical state of the interior of the target has been proposed. This is accomplished by measuring the energy loss dynamics (ELD) of the beam emerging from the back surface of the target. For this purpose, a new time-resolving energy loss spectrometer based on an original principle has been developed. This spectrometer, called scintillating Bragg-peak spectrometer allows for wide-range precision measurements of heavy-ion beam energy spectra with nanosecond time resolution. For the first time the energy loss dynamics of intense heavy ion beams interacting with dense matter has been observed experimentally. The ELD measurements of intense (108-1010 particles/pulse) focused beams of 238U, 86Kr, 40Ar and 18O ions with 150-350 MeV/nucleon initial energy interacting with rare-gas solid (RGS) targets, such as solid Ne and solid Xe have been carried out. A significant reduction in the ion beam energy loss during the interaction has been recorded which is due to the rapid hydrodynamic response of the ion-beam heated target matter. In order to interpret the experimentally observed physical phenomena, theoretical calculations of the energy loss dynamics have been performed. For these calculations a sophisticated two-dimensional hydrodynamic code BIG-2 has been employed as well as different EOS models for the RGS target materials, namely, the SESAME (Los Alamos, USA) and ChTEOS (Chernogolovka, Russia). A comparison of the simulation results and the measured ELD data has shown that the SESAME EOS tables for RGS materials have a limited accuracy in certain parameter regimes where a correct description of the phase transitions is essential. The simulations performed with the ChTEOS model are in better agreement with the experimental ELD data, in particular for solid Ne targets. We believe that the developed ELD diagnostic technique is an extremely useful tool for HED matter experiments, providing experimental data for verification of hydrodynamic computer codes and underlying theoretical models. The ELD measurements will be employed as a standard diagnostics in future experiments on investigation of the HED matter induced by intense heavy ion beams.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Intensive Ionenstrahlen sind herrvorragend geeignet große Volumina von hoher Energiedichte (HE) in Materie mit sehr homogenen physikalischen Parametern zu erzeugen. Die experimentelle Erforschung von Materie unter extremen Zuständen von Druck, Temperatur und Dichte ist von hohem Interesse in Gebieten der Grundlagenforschung, der Plasmaphysik, der Bestimmung der Zustandsgleichung von Materie (EOS, equation of state), der Astrophysik, der Geophysik, für Trägheitsfusionsanwendungen, sowie zusätzlich für die Auslegung von grundlegenden kernphysikalischen Experimenten. Ein wichtiges Problem in der Erforschung hoher Energiedichte in Materie ist die Untersuchung der physikalischen Prozesse, die beim Abbremsen intensiver hochenergetischer Ionenstrahlen auftreten. Hohe Energiedichte, die durch intensive Ionenstrahlen in ursprünglich Festkörpertargets erzeugt wird, führt zur Erzeugung von makroskopischen Volumina dichter, stark gekoppelter Plasmen. Aufgrund der hydrodynamischen Antwort der geheizten Materie nimmt die spezifische Dichte des Targets auf der Strahlachse ab und folgendermassen wird auch der Energieverlust der Ionen, die das Target durchlaufen, reduziert. Aus diesem Grund kann die Bestimmung des Energieverlustes des Ionenstrahlpulses während der Wechselwirkungszeit wichtige Informationen über physikalische Prozesse in HE Materie liefern. Bei der GSI-Darmstadt werden hochenergetische Ionenstrahlen verwendet, um über Wechselwirkung mit Festkörpertargets HE Zustände in Materie zu erzeugen. Eine neue Diagnostiktechnik für HE Experimente, bei der derselbe intensive Strahl hochenergetischer Schwerionen, welcher das Target heizt, dazu verwendet wird Informationen über den Zustand im Innern der Targetmaterie aufzuzeigen, wird hier vorgestellt. Dies geschieht durch Messung der Energie-Verlust-Dynamik (EVD) des Ionenstrahles, der die Rückseite des Targets verlässt. Ein neuartiges, zeitauflösendes Energieverlust Spektrometer wurde zu diesem Zweck entwickelt. Dieses Spektrometer, Scintillations Bragg-Peak Spektrometer genannt, erlaubt es über einen weiten Bereich Präzisionsmessungen von Ionenstrahlenergiepektren mit ns Zeitauflösung zu messen. Zum ersten mal wurde die Energieverlustdynamik intensiver Schwerionenstrahlen während der Wechselwirkung mit Materie experimentell beobachtet. EVD Messungen intensiver (108-1010 Ionen/Puls) fokussierter Strahlen von 238U, 86Kr, 40Ar und 18O Ionen mit 150--350 MeV/u Anfangsenergie, die mit festen Edelgastargets, wie Neon bzw. Xenonkristallen wechselwirkten, wurden durchgeführt. Eine signifikante Verringerung des Ionenstrahlenergieverlustes während der Wechselwirkungszeit, basierend auf der schnellen hydrodynamischen Antwort des Targetmaterials, wurde beobachtet. Um die experimentell beobachteten physikalischen Phänomene interpretieren zu können, wurden theoretische Berechnungen der Energieverlustdynamik durchgeführt. Ein hoch entwickelter, zweidimensionaler Hydrocode (BIG-2), sowie unterschiedliche EOS Modelle für die Edelgaskristalle, insbesondere SESAME (Los Alamos, USA) und ChTEOS (Chernogolovka, Russland), wurden verwendet. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit gemessenen EVD Daten hat ergeben, dass SESAME in Parameterbereichen, in denen eine korrekte Beschreibung von Phasenübergängen nötig ist, ungenügent exakt ist. Simulationen, die mit ChTEOS durchgeführt wurden, stimmen mit den gemessenen EVD Daten, insbesondere im Fall von Neonkristallen, besser überein. Wir sind davon überzeugt, dass die entwickelte EVD Diagnostikmethode ein extrem nützliches Werkzeug für HE Experimente darstellt, indem sie experimentelle Daten für die Verifikation von Computer-Hydrodynamik-Codes und den hierbei zugrunde liegenden theoretischen Modellen der Materie zur Verfügung stellt. Die Bestimmung der Energie-Verlust-Dynamik soll als Standarddiagnostikmethode in zukünftigen schwerionenstrahlinduzierten HE Experimenten installiert werden.German
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000323
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3230
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H. and Seelig, Prof. Dr. Wolfgang
Advisors: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Refereed: 19 December 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/323
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