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Das Protonenmikroskop PRIOR und die Entwicklung eines Leichtgasbeschleunigers für Experimente an FAIR

Endres, Michael (2019):
Das Protonenmikroskop PRIOR und die Entwicklung eines Leichtgasbeschleunigers für Experimente an FAIR.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Das Protonenmikroskop PRIOR und die Entwicklung eines Leichtgasbeschleunigers für Experimente an FAIR
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Prototyp eines Protonenmikroskops für FAIR (PRIOR-I) und eine mögliche Anwendung der Protonenmikroskopie an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (GSI) und an der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) vorgestellt. Im Rahmen des PRIOR Projektes wurde an der GSI eine Radiographieanlage aufgebaut, die den Protonenstrahl des Ringbeschleunigers SIS-18 nutzt. Bei der Radiographie mit Protonen wird die Streuung der Protonen im zu untersuchenden Material genutzt. Durch ein abbildendes System aus magnetischen Quadrupolen kann ein Bild erzeugt werden. Mit Hilfe einer Kalibrierung können Flächendichten des Materials bestimmt werden. Im Prototyp PRIOR-I wurden Permanentmagnet-Quadrupollinsen (PMQ’s) eingesetzt. Eine Untersuchung der Demagnetisierung dieser Linsen zeigte, dass die Magnete durch die Bestrahlung geschädigt werden. Neben der Abhängigkeit von der Strahlungsdosis zeigte sich auch eine Abhängigkeit vom demagnetisierenden Feld im Magneten. Die verwendeten Magnetmodule sind durch ihr hohes demagnetisierendes Feld somit besonders anfällig für strahlungsinduzierte Schäden. Auf Grund dieser Erkenntnisse und der Erfahrung aus der Inbetriebnahme des Prototyps sollen beim Nachfolge-System PRIOR-II Elektromagnete eingesetzt werden. Die Protonenmikroskopie am FAIR soll auch als Diagnostik für dynamische Experimente mit Materie bei hohen Energiedichten verwendet werden. Als Treiber für solche Experimente wurde ein Leichtgasbeschleuniger entwickelt. Dieser bildet den Kern dieser Arbeit. Mit diesem Gerät sollen Projektile auf Geschwindigkeiten größer 1 km/s beschleunigt werden. Die durch den Einschlag in einer Probe ausgelösten Stoßwellen und Materiezustände können in situ mit der Protonenradiographie untersucht werden. Für den Leichtgasbeschleuniger wurde ein kompakter Aufbau entwickelt, der in erster Linie den Einsatz in den beengten Platzverhältnissen des Hochtemperaturmessplatzes (HHT), aber auch am Strahlzweig der Plasmaphysik an FAIR möglich macht. Da die Länge des Aufbaus nur ca. 3m betragen darf, wurde ein einem Gegenkolbenmotor ähnlicher Aufbau entwickelt. Das Leichtgas Helium wird durch seitlich in ein Reservoir getriebene Kolben komprimiert. Die Kolben werden dabei von Methanverbrennungen angetrieben. Dieser neuartige Aufbau lässt eine Bauweise als zweistufigen Beschleuniger zu, vermeidet dabei aber die übliche Nutzung von Schwarzpulver in der ersten Stufe. Durch die seitliche Komprimierung wird ein sonst üblicher longitudinaler Aufbau vermieden. Die Gesamtlänge des Aufbaus beträgt ca. 2,50m.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the frame of this thesis, the prototype for a proton microscope for FAIR (PRIOR-I) and a possible experiment at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (GSI) and the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) are described. In the frame of the PRIOR project, a radiographie facility was built using protons from the Schwerionensynchrotron (SIS). The scattering of the protons in the investigated target is used to perform a radiography. Using a system of magnetic quadrupol lenses, an image is generated. Using a calibration, areal density measurement is possible. PRIOR-I uses Permanent Magnet Quadrupole Lenses (PMQ’s). An investigation of the demagnetization of these lenses showed a degradation of the magnetic properties. It is shown that the strength of this degradation is not only depended on the dose, but also on the intern demagnetizing field. The used PMQ modules have a high demagnetizing field. Thus they are delicate in radiation induced damage. In consequence of this findings and the experience of the comissioning of the prototyp electromagnets should be used for the new system PRIOR-II. The proton microscope at FAIR will also be used as diagnostic for dynamic experiments with high energy density matter. As a driver for such experiments a light-gas accelerator was developed. With this device projectiles should be accelerated to velocities greater than 1 km/s. The impact of such a projectile in a target induces a shockwave. This shockwave and the induced matter states could be probed in situ with proton microscopy. The compact device was developed to be applied at small spaces such as the HHT at GSI and later the APPA-Cave at FAIR. The total length of the setup is limitated to 3m. Thus an opposed-piston setup was developed. The light-gas helium will be compressed by pistons wich are driven from the sides into a reservoir. The pistons will be driven by a methane combustion. This novel setup allows a two-stage design of the accelerator without using gunpowder in the first stage. Using this lateral compression, the total length of the setup could be reduced to 2,5m.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 15 Oct 2019 10:50
Last Modified: 15 Oct 2019 10:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-91624
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Refereed: 17 October 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9162
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