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OCTOPUS – A High Repetition Rate Detector for Laser-Accelerated Particles

Hesse, Markus (2022):
OCTOPUS – A High Repetition Rate Detector for Laser-Accelerated Particles. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020248,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: OCTOPUS – A High Repetition Rate Detector for Laser-Accelerated Particles
Language: English
Abstract:

This thesis presents the development, construction and experimental validation of a detector for laseraccelerated particles. The dissertation was carried out in the Laser- & Plasma Physics group of Prof. Dr. Markus Roth at the Institute of Nuclear Physics at the Technical University of Darmstadt. The continuous development of high-intensity lasers for particle acceleration is significantly increasing their repetition rate. Until now, the repetition rate of laser systems was limited to a few interactions per day. Modern lasers have the ability to perform acceleration processes with up to several Hertz. Current detection methods for laser accelerated particles are not able to keep up with these high repetition rates. They are often only suitable for single use, or require a significant amount of time to be redeployable. Therefore, the development of modern particle detectors with high repetition rates is necessary. The newly developed Online Compact Tracker Of Particles Using Scintillators (OCTOPUS) in this dissertation is a spatially and energetically resolved detector for deployment at high repetition rates. It has an active area of 44×40 mm² and can detect nine different energies between 5.8 MeV and 30.3 MeV with a spatial resolution of about 3.6×3.3 mm². The development of the OCTOPUS detector is based on the analysis of existing detector systems. Strengths and weaknesses of the different systems were investigated in order to define a list of requirements for the OCTOPUS detector. Among other things, this list contains energetic and spatial resolution of particles and the resistance to electromagnetic pulses as key criteria. In accordance with the list of requirements, a novel detection principle was developed and simulations were carried out to determine its performance. This detection principle is based on scintillators, which are embedded in a repeating pattern at different depths in a support structure. For the construction of the OCTOPUS, the scintillators themselves were manufactured. Like the entire detector, they are based on PMMA (Polymethyl methacrylate) and have been optimized in fabrication and light yield according to the detector requirements. Depending on the depth of the scintillators in the support structure, the particle beam must have a minimum energy to excite the scintillator. This defined structure of a scintillator array is also called a macro pixel and forms a detection pixel of the detector with an energy resolution corresponding to the number of scintillators present. The arrangement of many macro pixels allows to spatially resolve the energy spectrum of a particle beam. Each individual scintillator converts the deposited particle energy into photons and transmits them via optical fibers to a camera system. The camera system digitizes the image information. Subsequently, an evaluation of the particle spectrum can be performed. In an experiment at the Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments (PHELIX) at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, the OCTOPUS detector was put to a final experimental test. The novel developed detector was calibrated with the results of radiochromic films. It was demonstrated that the OCTOPUS detector can measure spatially and energetically resolved the absolute deposited energy of a particle beam. The OCTOPUS thus presents itself as a solution to spatially and spectrally resolved particle detection at a high repetition rate.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die vorliegende Arbeit stellt die Entwicklung, den Bau und die experimentelle Validierung eines Detektors für laserbeschleunigte Teilchen vor. Durchgeführt wurde diese Dissertation in der Arbeitsgruppe Laser- & Plasmaphysik von Prof. Dr. Markus Roth am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt. Durch die fortschreitende Entwicklung von hochintensiven Laser für die Teilchenbeschleunigung wird deren Repetitionsrate signifikant erhöht. Bisher war die Repetitionsrate von Lasersystemen auf wenige Interaktionen pro Tag limitiert. Moderne Laser besitzen die Möglichkeit Beschleunigungsprozesse mit bis zu mehreren Hertz durchzuführen. Aktuell genutzte Detektionsmethoden für laserbeschleunigte Teilchen sind nicht in der Lage diese hohen Repetitionsraten aufzuzeichnen. Sie sind oftmals nur für Einzelanwendungen geeignet oder benötigen einen signifikanten Zeitaufwand, um erneut einsetzbar zu sein. Die Entwicklung moderner Teilchendetektoren mit hoher Repetitionsrate ist daher notwendig. Der in dieser Dissertation neu entwickelte Online Compact Tracker Of Particles Using Scintillators (OCTOPUS) ist ein räumlich und spektral aufgelöster Detektor für den Einsatz bei hohen Wiederholraten. Er besitzt eine aktive Fläche von 44×40 mm² und kann neun verschiedene Energien zwischen 5.8 MeV und 30.3 MeV mit einer örtlichen Auflösung von etwa 3.6×3.3 mm² detektieren. Die Entwicklung des OCTOPUS Detektors basiert auf der Analyse vorhandener Detektorsysteme. Stärken und Schwächen der verschiedenen Systeme wurden untersucht, um darauf basierend eine Anforderungsliste an den OCTOPUS Detektor zu definieren. Diese enthält unter anderem als Schlüsselkriterien die örtliche und räumliche Auflösung von Teilchen sowie die Widerstandfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Pulsen. Aufbauend auf der Anforderungsliste wurden das neuartige Detektionsprinzip erarbeitet und Simulationen bezüglich dessen Leistungsfähigkeit durchgeführt. Dieses Detektionsprinzip basiert auf Szintillatoren, welche in einem regelmäßigen Raster unterschiedlich tief in einer Stützstruktur eingebettet sind. Für den Bau des OCTOPUS wurden die Szintillatoren selbst hergestellt. Sie basieren, wie der gesamte Detektor, auf PMMA (Polymethyl methacrylate) und wurden entsprechend der Detektoranforderungen in der Herstellung und Lichtausbeute optimiert. Je nach Tiefe der Szintillatoren in der Stützstruktur muss der Teilchenstrahl eine Mindestenergie aufweisen, um den Szintillator zu erreichen und anzuregen. Eine Gruppe von zueinander verschieden tief eingebetteten Szintillatoren wird auch Makropixel genannt und bildet einen Detektionspunkt des Detektors mit einer Energieauflösung entsprechend der vorhandenen Anzahl an Szintillatoren. Die Aneinanderreihung von vielen Makropixeln erlaubt es räumlich aufgelöst das Energiespektrum eines Teilchenstrahles zu untersuchen. Jeder einzelne Szintillator wandelt die deponierte Teilchenenergie in Photonen um und leitet sie mittels optischer Fasern zu einem Kamerasystem. Das Kamerasystem digitalisiert die Bildinformation. Anschließend kann eine Auswertung des Teilchenspektrums erfolgen. In einem Experiment am Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments (PHELIX) der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung wurde der OCTOPUS Detektor abschließend experimentell getestet. Der neu entwickelte Detektor konnte mit den Ergebnissen von radiochromatischen Filmen kalibriert werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass der OCTOPUS Detektor räumlich und energetisch aufgelöst die absolut deponierte Energie eines Teilchenstrahles messen kann. Der OCTOPUS bietet sich somit als Lösung an, um Teilchen räumlich und spektral aufgelöst mit hoher Repetitionsrate zu messen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 111 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
TU-Projects: DESY|05P19RDFA1|APPA Targets HED
Date Deposited: 17 Jan 2022 08:26
Last Modified: 17 Jan 2022 08:26
DOI: 10.26083/tuprints-00020248
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202486
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus ; Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 6 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20248
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