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Aufbau und Test des Protonenmikroskops PRIOR

Lang, Philipp-M. :
Aufbau und Test des Protonenmikroskops PRIOR.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aufbau und Test des Protonenmikroskops PRIOR
Language: German
Abstract:

Die Untersuchung von Materie bei hoher Energiedichte (HEDM) im Labor stellt hohe Anforderungen an die Diagnostik, da diese Zustände meist nur für kurze Zeit erzeugt werden können und herkömmliche Diagnostikmethoden mit sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlung aufgrund der hohen Dichte an ihre Grenzen kommen. Die in den 1990er Jahren am Los Alamos National Laboratory entwickelte Technik der Hochenergie–Protonenradiographie stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, diese Beschränkungen zu überwinden und die Dichte von HEDM mit hoher Zeit– und Ortsauflösung zu messen. Zu diesem Zweck wurde an der GSI das Protonenmikroskop PRIOR (Proton Radiography for FAIR) gebaut, das Proben nicht nur abbildet, sondern um einen Faktor 4.2 vergrößern kann und dabei Materie mit einer Flächendichte bis zu 20 g/cm2 durchdringen kann. Dabei wurde auf Anhieb eine Ortsauflösung von unter 30 µm und eine Zeitauflösung im Nanosekundenbereich erreicht. Diese Arbeit beschreibt Details zu Funktionsweise, Design und Aufbau des Protonenmikroskops, sowie erste Messungen und Simulationen zu essentiellen Komponenten wie Magnetlinsen, Kollimator und Szintillationsschirm. Für letzteren konnte gezeigt werden, dass der Einsatz geeigneter Plastikszintillatoren als Konverter eine Alternative zu den langsameren, aber strahlungsresistenteren Kristallszintillatoren ist, so dass sich eine Zeitauflösung im Bereich von 10 ns erreichen lässt. Desweiteren wurde eine genaue Charakterisierung der Eigenschaften des Systems vorgenommen, wie sie bei den ersten Experimenten im April 2014 gemessen wurden. Auch die Änderungen der Magnetfelder durch Strahlungsschäden wurde untersucht. Es wird außerdem einen Überblick über weiterführende Anwendungsmöglichkeiten gegeben. So wurden bereits erste Experimente an wamer dichter Materie durchgeführt, die mit einem Pulsed Power–Setup erzeugt wurde. Darüber hinaus wurden vielversprechende medizinische Anwendungen bei der Kombination von Protonenradiographie mit Strahlentherapie im Rahmen des PaNTERA–Projekts untersucht. Außerdem wird ein Ausblick auf die Möglichkeiten bei zukünftigen Experimenten an der neuen Beschleunigeranlage FAIR gegeben, wo dank höherer Strahlintensität und –energie noch bessere Ergebnisse zu erwarten sind. Insbesondere wurde der Frage nachgegangen, inwieweit Experimente mit LAPLAS–artige Targets (Laboratory for Planetary Science) mit Protonenradiographie untersucht werden können. Aus diesen lassen sich mit PRIOR wichtige Erkenntnisse über die Zustandsgleichungen von Materie treffen, wie sie in großen Gasplaneten vorkommt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The study of High Energy Density Matter (HEDM) in the laboratory makes great demands on the diagnostics because these states can unsually only be created for a short time and usual diagnostic techniques with visible light or X–rays come to their limit because of the high density. The high energy proton radiography technique that was developed in the 1990s at the Los Alamos National Laboratory is a very promising possibility to overcome those limits so that one can measure the density of HEDM with high spatial and time resolution. For this purpose the proton microscope PRIOR (Proton Radiography for FAIR) was set up at GSI, which not only reprocudes the image, but also magnifies it by a factor of 4.2 and thereby penetrates matter with a density up to 20 g/cm2. Straightaway a spatial resolution of less than 30 µm and a time resolution on the nanosecond scale was achieved. This work describes details to the principle, design and construction of the proton microscope as well as first meeasurements and simulations of essential components like magnetic lenses, a collimator and a scintillator screen. For the latter one it was possible to show that plastic scintillators can be used as converter as an alternative to the slower but more radiation resistant crystals, so that it is possible to reach a time resolution of 10 ns. Moreover the characteristics were investigated for the system at the commissioning in April 2014. Also the changes in the magnetic field due to radiation damage were studied. Besides that an overview about future applications is given. First experiments with Warm Dense Matter created by using a Pulsed Power Setup have already been performed. Furthermore the promising concept of combining proton radiography with particle therapy has been investigated in context of the PaNTERA project. An outlook on the possibilities with future experiments at the FAIR accelerator facility is given as well. Because of higher beam intensity an energy one can expect even better spatial and time resolution. Particularly the examination focuses on the question if experiments with LAPLAS– like targets (Laboratory for Planetary Science) can be studied with proton radiography. From those it is possile to gain data with PRIOR about the equation of state of matter as it exists in the interior of giant gas planets.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: PRIOR, Protonenradiographie, Protonenmikroskopie, warme dichte Materie, Pantera, Materie bei hoher Energiedichte, Strahlungsschäden, NdFeB, Permanentmagnete, Szintillatoren
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
PRIOR, proton radiography, proton microscopy, high energy density physics, radiaton damage, permanent magnets, scintillatorsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 28 Jan 2015 10:55
Last Modified: 30 Jan 2015 12:08
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43102
Referees: Hoffmann, Prof. D. H. H. and Durante, Prof. M.
Refereed: 17 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4310
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