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Creation of high energy density in matter with heavy ion beams for equation of state studies

Kozyreva, Anna :
Creation of high energy density in matter with heavy ion beams for equation of state studies.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Creation of high energy density in matter with heavy ion beams for equation of state studies
Language: English
Abstract:

Precise equations of state (EOS) measurements of matter under extreme conditions driven by heavy ion beams require proper target configurations to create well defined states of the studied material. The aim of this work is to evaluate the potential of the SIS-18 heavy ion beam at GSI to produce samples of matter at high energy density suitable for accurate EOS measurements. First the basic principles of matter under extreme conditions driven by heavy ion beams are summarized. The influence of different cooling mechanisms is discussed resulting in an estimation of the effective heating time, which limits the maximum target temperature. This estimation is an improvement compared to previous works. The energy deposition of ion beams was studied experimentally to evaluate numerical tools which are needed for new target calculations. A time resolved two-dimensional schlieren technique was applied to provide a comprehensive test for hydrodynamic calculations. To interpret the experimental data and to link them to the results of a hydro simulation, a 3D ray-tracing modeling was developed. An overall agreement between computed and experimental schlieren images was found and it was shown that the schlieren diagnostics is capable to detect phase boundaries in the target. Discrepancies between experimental results and the hydro calculation could be connected to an insufficient equation of state that was used for the simulation. It was also demonstrated that for target materials with a high yield point a hydrodynamic description is not applicable for the current beam parameters. Under these circumstances the dominant energy diffusion mechanism is heat conduction. With the schlieren technique it was possible to follow a thermal wave propagating in a target and thus to determine the temperature in the heated zone. Irreversible changes in the target material provide a second, independent way to determine the temperature in the irradiated region. The obtained results show that the experimental conditions can be well controlled and that the numerical tools are sufficiently precise to develop advanced targets for EOS measurements. A common methods for EOS measurements are shock wave experiments, which demand planar shock wave geometry. That is usually not provided in an ion-beam driven shock. A novel target configuration is proposed to generate a planar shock front with a pressure exceeding the pressure in a bulk sample by several times. The beneficial property of heavy ions to heat extended volumes of matter with good uniformity can be fully utilized, when isochoric heating conditions are fulfilled. To suppress hydrodynamic motion during the ion beam irradiation, a dynamic confinement is proposed. This concept provides homogeneous target heating by a low-Z tamper, which allows to apply x-ray scattering diagnostics using the PHELIX laser at GSI. Isochoric heating of macroscopic samples of matter with heavy ion beams together with excellent diagnostics possibilities promises to become a fruitful approach to warm dense matter studies.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die präzise Messung von Zustandsgleichungen in schwerionenerzeugten extremen Zuständen erfordert geeignete Targetanordnungen, um wohldefinierte Zustände im Material zu erzeugen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeiten, mit dem Schwerionenstrahl des SIS-18 bei der GSI Zustände hoher Energiedichte in Materie zu erzeugen, die für solche genauen Zustandsgleichungsmessungen geeignet sind. Zunächst werden hierzu die Grundlagen der Erzeugung extremer Materiezustände mit Schwerionen zusammengestellt. Aus der Diskussion verschiedener Kühlmechanismen ergibt sich eine gegenüber früheren Arbeiten verbesserte Abschätzung der effektiven Heizzeit, welche die maximal erreichbare Temperatur im Target begrenzt. Um die numerischen Hilfsmittel zu überprüfen, die zur Berechnung neuer Targetkonfigurationen benötigt werden, wurde die Energiedeposition des Ionenstrahls experimentell untersucht. Einen aussagekräftigen Test der hydrodynamischen Rechnungen bietet eine zeitaufgelöste, zweidimensionale Schlierentechnik. Zur Interpretation der experimentellen Daten und um die Verbindung zu den Ergebnissen der Hydrosimulationen herzustellen, wurde ein '3D-Raytracing' Programm entwickelt. Insgesamt ergab sich eine Übereinstimmung der berechneten und experimentellen Schlierenbilder und es konnte gezeigt werden, dass die Schlierentechnik in der Lage ist, Phasengrenzen im Target nachzuweisen. Unterschiede zwischen den experimentellen Ergebnissen und der Hydrosimulation konnten mit der unzureichenden Zustandsgleichung in Zusammenhang gebracht werden, die der Hydrorechnung zugrunde lag. Weiterhin wurde gezeigt, dass für Targetmaterialien mit einer hohen Fließgrenze für die gegenwärtigen Ionenstrahlparameter eine hydrodynamische Beschreibung nicht anwendbar ist. Unter diesen Umständen ist der bestimmende Energiediffusionsprozess die Wärmeleitung. Mit der Schlierentechnik war es möglich, die Ausbreitung einer Wärmewelle im Target zu verfolgen und daraus die Temperatur in der Depositionszone zu bestimmen. Irreversible Veränderungen im Targetmaterial ermöglichen eine zweite, unabhängige Bestimmung der Temperatur im bestrahlten Targetbereich. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die experimentellen Bedingungen hinreichend genau kontrolliert werden können und dass die numerischen Hilfsmittel präzise genug sind, um fortgeschrittene Targets für Zustandsgleichungsmessungen zu entwickeln. Eine weitverbreitete Methode zur Zustandsgleichungsmessung beruht auf dem Einsatz von Schockwellen, wobei eine ebene Schockwellengeometrie unverzichtbar ist. Diese ergibt sich gewöhnlich nicht in schwerionengetriebenen Schockwellen. Daher wurde eine neue Targetkonfiguration erarbeitet, die ebene Schockwellen erzeugt. Dabei übersteigt der Druck den Druck in einem einfachen Target um ein mehrfaches. Die einzigartige Eigenschaft von Schwerionen, ausgedehnte Materievolumen homogen zu heizen, lässt sich voll nutzen, wenn die Materie isochor geheizt wird. Um den hydrodynamischen Fluss des Targets während der Bestrahlung zu unterdrücken, wird ein dynamischer Einschluss vorgeschlagen. Dieses Konzept ermöglicht homogene Heizung großer Volumen mit einem Einschluss aus Material niedriger Ordnungszahl und ermöglicht damit, Röntgenstreuung mit Hilfe des PHELIX Lasers zur Diagnostik einzusetzen. Die isochore Targetheizung großer Targetvolumen mit Schwerionen, kombiniert mit umfassenden Diagnostikmöglichkeiten, verspricht einen aussichtsreichen Zugang zur Untersuchung von Materie, die als 'warm dense matter' bezeichnet wird.German
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000436
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4361
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Seelig, Prof. Dr. Wolfgang
Advisors: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Refereed: 17 December 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/436
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