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Temperature measurement of high-energy-density matter generated by intense heavy ion beam

Ni, Pavel :
Temperature measurement of high-energy-density matter generated by intense heavy ion beam.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Temperature measurement of high-energy-density matter generated by intense heavy ion beam
Language: English
Abstract:

Intense heavy ion beams are an excellent tool to create large-volume samples of high energy density (HED) matter with fairly 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, atomic physics, astrophysics, geophysics as well as for the inertial fusion research and its applications. Recently, a series of HED physics experiments with heavy ion beams have been carried out at the GSI-Darmstadt. In these experiments, metallic targets of macroscopic volumes were heated by intense heavy ion beams uniformly and quasi-isochorically, thereby generating high-density, high-entropy states. The heated target material was expanding isentropically, passing through many interesting physical states located in the region of boiling curve, two-phase liquid-gas and the critical point. Most of the heavy ion beam energy is deposited within 120 ns which gives a possibility of appearance of intermediate meta-stable superheated liquid states. The fundamental thermodynamical properties of the target were measured during the heating as well as the expansion phases. The main subject of this work is the dynamic temperature measurement of the target material in the HED physics experiments with intense heavy ion beams. In the course of this work a fast multi-channel radiation pyrometer has been developed and successfully employed in experimental campaigns. The pyrometer allows measurement of brightness temperatures at 12 wavelengths with a nanosecond temporal resolution and the micrometer spatial resolution. The brightness temperatures are obtained from analysis of the Planck radiation in visible and near-infrared spectral regions. The absolute radiation emission recorded by the pyrometer at different wavelengths allow also determination of the physical temperature using different models of spectral emissivity. In the performed HED physics experiments with heavy ion beams target temperatures varying from 1000 K to 12000 K were measured for the first time. Different materials showed different behavior of hydrodynamic expansion, clearly seen on the pyrometer records. In addition to temperature measurements, measurements of target expansion dynamics have been carried out using a backlighting/shadowgraphy system based on a streak camera. Expansion velocities up to 2600 m/s have been registered for lead and up to 1700 m/s for tungsten targets. This work presents the first experimental results on temperature measurement in HED physics experiments with intense heavy ion beams. The developed fast multichannel pyrometer is indispensable for the present and the future HED physics experiments at GSI. The new experimental data, developed diagnostics and experience obtained during the course of this work are also of a great importance for planning future HED physics experiments at FAIR.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Intensive Schwerionenstrahlen sind ein hervorragendes Werkzeug, um Materie hoher Energiedichte (HED = High Energy Density) in makroskopischen Volumina zu erzeugen, in denen nahezu homogene physikalische Bedingungen herrschen. Die Untersuchung von Materie unter extremen physikalischen Bedingungen in Bezug auf Dichte, Temperatur und Druck ist von fundamentalem Interesse für die Forschung auf den Gebieten der Plasmaphysik, Atomphysik, Astrophysik und Geophysik, sowie für Forschung und Anwendungen auf dem Gebiet der Inertialfusion. Erst kürzlich wurde eine Reihe von Experimenten zu Materie im Zustand hoher Energiedichte, die durch Schwerionenstrahlen erzeugt wurde, bei der GSI Darmstadt am Messplatz HHT durchgeführt. Bei diesen Experimenten wurden makroskopische, metallische Targets von intensiven Schwerionenstrahlen homogen, quasi-isochor geheizt, wobei Materiezustände hoher Energiedichte und hoher Entropie entstehen. Das geheizte Targetmaterial expandiert isentropisch und durchläuft dabei Zustände von grossem physikalischem Interesse, die sich sowohl im Bereich der Verdampfungskurve, des Zweiphasen-Flussigkeit-Gas-Zustands als auch im Bereich des kritischen Punkts des Phasendiagramms befinden. Die fundamentalen thermodynamischen Eigenschaften des Targets wurden dabei sowohl während der Aufheizungs- als auch der Ausdehnungsphase gemessen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die dynamische Temperaturmessung des Targetmaterials während der Bestrahlung mit Schwerionenstrahlen. Im Zuge diese Arbeit wurde ein schnelles Mehrkanal-Pyrometer entwickelt und während mehrerer Strahlzeiten erfolgreich getestet und eingesetzt. Das Pyrometer erlaubt es sogenannte "Brightnesstemperaturen" (die Temperatur bei der die gemessene Strahlungsleistung der eines schwarzen Korpers in diesem Frequenzbereich entspricht) bei 12 Wellenlängen zu messen, wobei die zeitliche Auflösung im Nanosekundenbereich und die räumliche Auflösung im Mikrometerbereich liegt. Die "Brightnesstemperaturen" werden durch die Auswertung der Planckschen Strahlungsverteilung im sichtbaren und nahen-infrarot Spektralbereich bestimmt. Die gesamte emittierte Strahlung des aufgeheizten Targets, die vom Pyrometer über alle 12 Wellenlängen gemessen wird, erlaubt es auch eine physikalische Temperatur des Targets zu definieren. Dies geschieht durch Anpassung der Temperatur an unterschiedliche theoretische Modelle für die Emission im betrachteten Spektralbereich. In den hier durchgeführten HED-Experimenten mit Schwerionenstrahlen wurden zum ersten Mal Targettemperaturen, die zwischen 1000 K — 12000 K lagen, gemessen. Zusätzlich zu der Temperatur wurde die Geschwindigkeit der Expansion der Targetmaterie gemessen, dies geschah mit einem Backlighting/Schattenwurf-Messystem, das auf einer Aufzeichnung der Emission des Targetmaterials mit einer Streakkamera basiert. Für das Targetmaterial Blei wurden Expansionsgeschwindigkeiten bis zu 2600 m/s gemessen, für Wolfram war die Expansionsgeschwindigkeit mit bis zu 1700 m/s geringer. Diese Arbeit stellt die ersten experimentellen Resultate vor, die für Temperaturmessungen im Bereich von Materie hoher Energiedichte, erzeugt durch Schwerionenstrahlen, erzielt werden konnten. Das in diesem Rahmen entwickelte schnelle Mehrkanalpyrometer ist unentbehrlich, sowohl für die momentan laufenden und in Zukunft geplanten HED Experimente bei GSI und auch im Hinblick auf das zukünftige FAIR Projekt. Genauso sind die gewonnenen experimentellen Daten und die während dieser Arbeit entwickelten Diagnostiken richtungsweisend für die geplanten HED-Experimente bei GSI und die zukünftigen Experimente beim FAIR-Projekt.German
Uncontrolled Keywords: Schwerionen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
SchwerionenGerman
Heavy IonsEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000720
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7206
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Advisors: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H.
Refereed: 24 April 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/720
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