Tebartz, Alexandra Simone (2018)
Kryogene Wasserstoff- und Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
Die vorliegende Arbeit stellt eine Implementierung der Kondensationsmethode zur in situ-Herstellung von freistehenden kryogenen Wasserstoff- und Deuteriumtargets und einen dafür zugeschnittenen Aufbau vor. Damit ist es möglich, unter Standardbedingungen als Gase vorliegende Stoffe als debrisfreie Targets mit Festkörperdichte für die Laser-Materie-Wechselwirkung bereitzustellen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einsatz für die Laserionenbeschleunigung.
Die Kondensationsmethode basiert auf der Manipulation der Phase des Targetmaterials. Ein Gas wird in eine kleine Zuchtkammer eingelassen, die einen gekühlten Targetrahmen mit einer Apertur darin umschließt. Das Gas wird über Erhöhung des Drucks und Absenken der Temperatur verflüssigt, sodass es den Targetrahmen benetzt und die Apertur füllt. Anschließendes Kühlen verfestigt das Material, welches nach Entfernen der Zuchtkammer für den Laser zugänglich ist. Das Prinzip ist neben Wasserstoff und Deuterium auch für andere Gase geeignet.
Der Aufbau zur Erzeugung von freistehenden kryogenen Targets und die bisher erfolgten und noch geplanten Verbesserungen werden unter Beachtung der Rahmenbedingungen zur Verfestigung von Wasserstoff und Deuterium vorgestellt. Diese werden unter anderem durch die Tripelpunkttemperaturen von 14,0 K beziehungsweise 18,7 K bestimmt. Es werden regenerative Kühlmechanismen, die auf der Expansion eine Arbeitsgases basieren, und die daraus folgenden Implikationen für den Aufbau diskutiert. Die Mechanismen des Wärmetransports und die daraus resultierenden Folgen für Geometrie und Materialwahl des Aufbaus werden ebenfalls erörtert. Aufbauend auf der Geometrie des Aufbaus und dem Experimentablauf werden die Systeme zur Druck- und Temperaturkontrolle vorgestellt.
Auch andere Methoden zur Herstellung von kryogenen Targets, von Varianten der Kondensationsmethode, über Extrusion eines Bandtargets und eines Flüssigjets, bis zum Aufsprühen auf einen gekühlten Rahmen, werden vorgestellt. Jede der verschiedenen Herangehensweisen löst verschiedene Probleme anderer Methoden, wirft dafür aber neue auf.
Verschiedene Methoden der Targetcharakterisierung werden in dieser Arbeit diskutiert, wovon vorrangig eine Profilkamera und die Vermessung mit einem chromatisch-konfokalen Sensor genutzt wurden. Mit letzterem wurde die zeitliche Entwicklung der Targetdicke mit einer Auflösung von einer Sekunde untersucht. Dabei wurde ein lineares Modell zur Extrapolation der Targetdicke für Zeiten nach Ende der Messung validiert.
In zwei Experimenten an den Lasersystemen PHELIX und VULCAN wurden mit der Kondensationsmethode hergestellte kryogene Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung genutzt. Dabei konnte die Beschleunigung eines reinen Deuteronenstrahls gezeigt werden, wobei das Vorkommen von Protonen mit einer Nachweisgrenze von 7,5*10^9 Protonen pro MeV und Steradiant ausgeschlossen werden konnte.
| Typ des Eintrags: | Dissertation | ||||
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| Erschienen: | 2018 | ||||
| Autor(en): | Tebartz, Alexandra Simone | ||||
| Art des Eintrags: | Erstveröffentlichung | ||||
| Titel: | Kryogene Wasserstoff- und Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung | ||||
| Sprache: | Deutsch | ||||
| Referenten: | Roth, Prof. Dr. Markus ; Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver | ||||
| Publikationsjahr: | 2018 | ||||
| Ort: | Darmstadt | ||||
| Datum der mündlichen Prüfung: | 8 Januar 2018 | ||||
| URL / URN: | https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8205 | ||||
| Kurzbeschreibung (Abstract): | Die vorliegende Arbeit stellt eine Implementierung der Kondensationsmethode zur in situ-Herstellung von freistehenden kryogenen Wasserstoff- und Deuteriumtargets und einen dafür zugeschnittenen Aufbau vor. Damit ist es möglich, unter Standardbedingungen als Gase vorliegende Stoffe als debrisfreie Targets mit Festkörperdichte für die Laser-Materie-Wechselwirkung bereitzustellen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einsatz für die Laserionenbeschleunigung. Die Kondensationsmethode basiert auf der Manipulation der Phase des Targetmaterials. Ein Gas wird in eine kleine Zuchtkammer eingelassen, die einen gekühlten Targetrahmen mit einer Apertur darin umschließt. Das Gas wird über Erhöhung des Drucks und Absenken der Temperatur verflüssigt, sodass es den Targetrahmen benetzt und die Apertur füllt. Anschließendes Kühlen verfestigt das Material, welches nach Entfernen der Zuchtkammer für den Laser zugänglich ist. Das Prinzip ist neben Wasserstoff und Deuterium auch für andere Gase geeignet. Der Aufbau zur Erzeugung von freistehenden kryogenen Targets und die bisher erfolgten und noch geplanten Verbesserungen werden unter Beachtung der Rahmenbedingungen zur Verfestigung von Wasserstoff und Deuterium vorgestellt. Diese werden unter anderem durch die Tripelpunkttemperaturen von 14,0 K beziehungsweise 18,7 K bestimmt. Es werden regenerative Kühlmechanismen, die auf der Expansion eine Arbeitsgases basieren, und die daraus folgenden Implikationen für den Aufbau diskutiert. Die Mechanismen des Wärmetransports und die daraus resultierenden Folgen für Geometrie und Materialwahl des Aufbaus werden ebenfalls erörtert. Aufbauend auf der Geometrie des Aufbaus und dem Experimentablauf werden die Systeme zur Druck- und Temperaturkontrolle vorgestellt. Auch andere Methoden zur Herstellung von kryogenen Targets, von Varianten der Kondensationsmethode, über Extrusion eines Bandtargets und eines Flüssigjets, bis zum Aufsprühen auf einen gekühlten Rahmen, werden vorgestellt. Jede der verschiedenen Herangehensweisen löst verschiedene Probleme anderer Methoden, wirft dafür aber neue auf. Verschiedene Methoden der Targetcharakterisierung werden in dieser Arbeit diskutiert, wovon vorrangig eine Profilkamera und die Vermessung mit einem chromatisch-konfokalen Sensor genutzt wurden. Mit letzterem wurde die zeitliche Entwicklung der Targetdicke mit einer Auflösung von einer Sekunde untersucht. Dabei wurde ein lineares Modell zur Extrapolation der Targetdicke für Zeiten nach Ende der Messung validiert. In zwei Experimenten an den Lasersystemen PHELIX und VULCAN wurden mit der Kondensationsmethode hergestellte kryogene Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung genutzt. Dabei konnte die Beschleunigung eines reinen Deuteronenstrahls gezeigt werden, wobei das Vorkommen von Protonen mit einer Nachweisgrenze von 7,5*10^9 Protonen pro MeV und Steradiant ausgeschlossen werden konnte. |
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| Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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| URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-82056 | ||||
| Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik | ||||
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 05 Fachbereich Physik 05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik 05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik 05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik |
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| Hinterlegungsdatum: | 02 Dez 2018 20:55 | ||||
| Letzte Änderung: | 02 Dez 2018 20:55 | ||||
| PPN: | |||||
| Referenten: | Roth, Prof. Dr. Markus ; Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver | ||||
| Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: | 8 Januar 2018 | ||||
| Export: | |||||
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