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Interferometric Diagnosis of Warm Dense Matter

Cihodariu-Ionita, Bogdan-Florin :
Interferometric Diagnosis of Warm Dense Matter.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Interferometric Diagnosis of Warm Dense Matter
Language: English
Abstract:

Matter at extreme pressures and temperatures provides an exciting field of research in both fundamental and applied physics. The basic physical properties of these "High Energy Density" (HED) states – for instance the equation of state (EOS) – are of great importance from an experimental as well as theoretical point of view. Under laboratory conditions such extreme states can be reached only in dynamic experiments using extremely powerful drivers. The GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), with its unique heavy ion accelerator SIS-18 and high energy petawatt laser PHELIX facilities offers ideal conditions for the investigationof these states of matter. The aim of this work is to apply interferometric methods for studying thermophysical properties of metals within the warm dense matter (WDM) region of the phase diagram, characterized by temperatures of 1-50 eV and densities close to the solid state one. At the "High Temperature" (HHT) experimental area of GSI, pressure and temperature measurements of metals heated by intense uranium ion beams to regions near the critical point were performed. Sub-microsecond intense uranium ion beams were focused on a sub-millimetre spot on solid metallic targets, achieving both high energy density deposition and uniform volumetric heating. The expanding material got compressed against a sapphire window and temperature measurements were taken at this interface with a fast multi-channel pyrometer, while spatial velocity profiles were recorded on the free surface by the imaging displacement interferometer allowing for the determination of temporal pressure profiles. At the Z6 experimental area of GSI isentropic compression experiments of iron were conducted using PHELIX as driver. Free surface velocity measurements on the order of km/s were performed using two imaging VISARs (Velocity Interferometer System for Any Reflector) from which pressure profiles up to 0.25 Mbar were derived. The behaviour of iron during the alpha-epsilon transition at different compression rates was studied. Besides the interferometric set-ups, work was performed on the data acquisition system for the heavy–ion beam driven experiments at the HHT area.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Materie unter extremen Druck und Temperatur Bedingungen bietet einen aufregenden Forschungsbereich sowohl für die Grundlagen- als auch die angewandte Forschung. Die fundamentalen physikalischen Eigenschaften solcher Zustände hoher Energiedichte (High Energy Density – HED states) – wie die Zustandsgleichung (equation of state – EOS) – sind von großer Bedeutung sowohl für theoretische als auch für experimentelle Untersuchungen. Solche extreme Zustände können unter Laborbedingungen nur in dynamischen Experimenten mit besonders leistungsfähigen Treibern erreicht werden. Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) mit seinem einzigartigen Schwerionensynchrotron SIS-18 and dem Hohe Energie Petawatt Laser PHELIX bietet ideale Möglichkeiten zur Erforschung dieser Materiezustände. Das Ziel dieser Arbeit ist, die thermophysikalischen Eigenschaften von Metallen im Bereich der Warmen Dichten Materie (WDM), die sich durch Temperaturen von 1-50 eV und Dichten nahe deren der Festkörper charakterisiert, mittels interferometrischer Messungen zu untersuchen. Am Hochtemperaturmessplatz HHT des GSI wurden Druck- und Temperaturmessungen im Bereich des kritischen Punktes von Metallen durchgeführt. Zu diesem Zweck, wurden intensive, gepulste Uranionenstrahlen mit einer Dauer von weniger als einer Mikrosekunde auf einen Submillimeter-Bereich eines festen metallischen Targets fokussiert. Dadurch wurden sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gleichmäßige volumetrische Heizung erzielt. Das expandierende Material traf auf ein Saphirfenster und wurde dadurch komprimiert. An der somit gebildeten Grenzfläche wurden mit einem schnellen Mehrkanalpyrometer Temperaturmessungen durchgeführt. Gleichzeitig wurde das Geschwindigkeitsprofil der freien Fensterfläche mit einem abbildenden Interferometer ermittelt wodurch der zeitliche Druckverlauf bestimmt werden konnte. Am Experimentierplatz Z6 des GSI wurden Experimente zur isentropischen Kompression von Eisen mittels des hochintensiven Laserstrahls des PHELIX Systems durchgeführt. Geschwindigkeitsmessungen im km/s Bereich wurden an der freien Fläche des Targets mit zwei abbildenden VISAR (Velocity Interferometer System for Any Reflector) durchgeführt. Daraus wurden Druckprofile mit Werten bis zu 0,25 Mbar abgeleitet. Das Verhalten von Eisen beim alpha-epsilon Übergang wurde bei verschiedenen Kompressionsraten untersucht. Überdies wurde die am HHT vorhandene Software zur Datenaufnahme für Experimente mit Schwerionenstrahlen erweitert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 14 Feb 2013 13:16
Last Modified: 14 Feb 2013 13:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-32912
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Refereed: 21 December 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3291
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