Bedacht, Stefan (2019)
Kryogene Wasserstofftargets für Experimente zur Laser-Materie-Wechselwirkung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit beschreibt die Herstellung von festen Materialproben (Targets) mit definierter Geometrie aus gefrorenem Wasserstoff und deren Verwendung in Experimenten zur Laser-Materie-Wechselwirkung. Den Schwerpunkt der Arbeit bildeten die Entwicklung und Erprobung eines Versuchsaufbaus zur Verfestigung gasförmigen Wasserstoffs bei Temperaturen im Bereich von 10 K bis 20 K sowie die Charakterisierung der auf diese Weise erzeugten Targets.

Hierzu wurde am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt eine Vakuumkammer mit einem Kryosystem kombiniert und damit ein System aufgebaut, das die genaue Kontrolle der Parameter Temperatur und Druck des Targetgases Wasserstoff ermöglichte. Die technische Herausforderung bestand hierbei in der Konstruktion einer Vorrichtung, die Innendrücke von bis zu 500 mbar gegen Vakuum bei Temperaturen im Bereich von 10 K bis 20 K abdichten und gleichzeitig unter Vakuum geöffnet und geschlossen werden konnte.

Aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen, die zur Herstellung der Targets nötig sind, ist es kaum möglich ein kryogenes Target aus dem Versuchsaufbau zu entfernen und es zu konservieren. Daher musste der gesamte Versuchsaufbau kompakt und mobil konstruiert werden, um die Anpassung auf andere Vakuumkammern in den Experimentierbereichen von Höchstleistungslasern zu ermöglichen und damit die kryogenen Targets während des Laser-Materie-Wechselwirkungexperiments kurz vor der Interaktion mit dem Laser unmittelbar am Interaktionspunkt herstellen zu können.

Für die Erzeugung einzelner Targets wurden spezielle Halter konstruiert, um eine definierte Targetgeometrie beim Auffrieren der Targetstruktur zu gewährleisten. Es zeigte sich, dass die Targeterzeugung über den Phasenpfad gasförmig–flüssig–fest zu qualitativ besseren Targetstrukturen führte als der Phasenpfad gasförmig–fest. Auf diese Weise konnten freitragende Targetstrukturen mit einem Durchmesser von bis zu 2 mm und einer Dicke von 100 μm bis 1000 μm hergestellt werden.

Zur Vermessung der Targetstrukturen wurden sowohl optische als auch kernphysikalische Methoden untersucht, adaptiert und im Experiment eingesetzt. Das optische Verfahren der chromatisch-konfokalen Mikroskopie erzielte hierbei die besten Ergebnisse zur Bestimmung der Targetdicke. Weiterhin konnten Targets mittels α-Teilchen-Spektroskopie vermessen werden, im Gegensatz zur chromatisch-konfokalen Mikroskopie jedoch nicht in Echtzeit.

Zur Untersuchung der Wechselwirkung von kryogenen Wasserstofftargets mit hochintensiver Laserstrahlung wurden zwei Experimentkampagnen an Höchstleistungslasersystemen der Petawattklasse durchgeführt: eine am Lasersystem Petawatt High Energy Laser for Ion Experiments (PHELIX) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und eine am Lasersystem VULCAN Petawatt Laser (VULCAN) des Rutherford Appleton Laboratory in Didcot/UK. Ziel beider Experimentreihen war die Erzeugung von gerichteten Ionenstrahlen. Hierbei wurde insbesondere die experimentelle Realisierung des Beschleunigungsmechanismus laser breakout afterburner (dt.: Laserausbruch-Nachbeschleunigung) (BOA) untersucht, der bei Laserintensitäten von 10^21 W/cm^2 und passenden Targetstrukturen Protonenenergien von bis zu GeV ermöglichen soll.

Zur Untersuchung von BOA wurden neben kryogenen Wasserstofftargets mit Dicken im Bereich von 10 μm bis 1000 μm auch Targets aus Plastik mit Dicken im Bereich von 0,1 μm bis 1,5 μm verwendet, die im Targetlabor des Instituts für Kernphysik eigens für diese Experimente hergestellt wurden. Im Rahmen der Experimentkampagne an PHELIX wurde erstmals die Verwendung von freitragenden kryogenen Wasserstofftargets für die lasergetriebene Ionenbeschleunigung mit Maximalenergien von 46 MeV experimentell demonstriert. Zudem lieferten die Experimente mit Plastiktargets Protonen mit Maximalenergien von bis zu 65 MeV entlang der Propagationsrichtung des Laserstrahls, die mit dem BOA-Konzept vereinbar waren und eine neue Rekordenergie an PHELIX bedeuteten.

Neben den dünnen freitragenden kryogenen Wasserstofftargets für die Experimente zur lasergetriebenen Ionenbeschleunigung konnte noch eine weitere Targetgeometrie erzeugt werden, die für Experimente zur Untersuchung von warmer dichter Materie (WDM) geeignet ist. Hierbei handelte es sich um mit kryogenem Wasserstoff gefüllte Bleizylinder, die mit einem hierfür angepassten Versuchsaufbau ebenfalls am Institut für Kernphysik hergestellt werden konnten. Diese Targetgeometrie kann für die Laboratory Planetary Sciences (dt.: Labor-Planetologie) (LAPLAS)-Experimente des Bereichs Plasmaphysik der Startphase des neuen Beschleunigerzentrums Facility for Antiproton and Ion Research (dt.: Einrichtung zur Forschung an Antiprotonen und Ionen) (FAIR) verwendet werden.

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