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Kryogene Wasserstofftargets für Experimente zur Laser-Materie-Wechselwirkung

Bedacht, Stefan (2019):
Kryogene Wasserstofftargets für Experimente zur Laser-Materie-Wechselwirkung.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8155],
[Ph.D. Thesis]

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.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Bedacht, Stefan
Title: Kryogene Wasserstofftargets für Experimente zur Laser-Materie-Wechselwirkung
Language: German
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.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
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
Date Deposited: 13 Jan 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8155
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-81552
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 7 February 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The research presented in this thesis aimed at fabricating solid material samples (targets) of defined geometry from frozen hydrogen and applying these targets to laser-matter interaction experiments. The development and testing of an experimental setup to solidify gaseous hydrogen at temperatures in the range of 10 K to 20 K and the characterization of these solid target structures were the main goals of the reasearch conducted. For these purposes an experimental setup combining a vacuum chamber and a cryogenic system was set up at the Institut für Kernphysik at the Technische Universität Darmstadt. This setup allowed for precise control of the key parameters of the hydrogen gas, namely temperature and pressure. Constructing a device suitable for fabricating cryogenic hydrogen targets and withstanding a cavity pressure of up to 500 mbar at temperatures as low as 10 K bis 20 K while being gas-tight proved to be technically challenging. In addition, the sealing of the device needed to be closed and opened under vacuum conditions. Due to the extremely low temperatures needed for target fabrication the targets could neither be removed from the experimental setup nor be preserved outside. Therefore the experimental setup had to be compact and mobile to allow for adaptation at different laser systems and the respective experimental areas. With the custom made setup cryogenic developed in this project targets could be fabricated at the interaction point with the laser just before the start of the experiment. The target geometry was defined by custom made target mounts supporting the cryogenic target during fabrication. Creating cryogenic targets exploiting the phase transitions gaseous–liquid–solid lead to better results than exploiting the phase transition gaseous–solid. This way self-supporting targets with a diameter of up to 2 mm and a thickness in the range of 100 μm to 1000 μm could be created. For the characterization of the targets optical and nuclear methods were investigated, adapted, and applied to experiments. Best results for determining the target thickness were obtained by using the optical method of chromatic confocal microscopy. In addition α-particle spectroscopy could be used for target thickness measurements, albeit the results were not available in real time in contrast to the method of chromatic confocal microscopy. Two experimental campaigns aiming at the investigation of the interaction between cryogenic hydrogen targets and highly intense laser beams were conducted at petawatt class laser facilities: one at the Petawatt High Energy Laser for Ion Experiments (PHELIX) laser system at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt and another at the VULCAN laser system at the Rutherford Appleton Laboratory in Didcot/UK. In both campaigns the experimental realization of the laser breakout afterburner (dt.: Laserausbruch-Nachbeschleunigung) (BOA) acceleration mechanism was investigated. This mechanism is expected to provide maximum proton energies of up to GeV while demanding laser intensities on the order of 10^21 W/cm^2 and suitable ultra thin target structures. For the investigation of the BOA mechanism both cryogenic hydrogen targets with thicknesses in the range of 100 μm to 1000 μm and targets made from plastics with thicknesses in the range of 0.1 μm to 1.5 μm were used. The plastic targets were custom made for these experiments at the target laboratory at the Institut für Kernphysik. During the experimental campaigns laser driven ion acceleration from self-supporting cryogenic hydrogen targets with maximum ion energies of 46 MeV was achieved for the first time. In addition the experiments with plastic targets provided maximum proton energies of up to 65 MeV along the laser axis being in accordance with the BOA mechanism. These maximum proton energies also marked a new record value for laser driven ion acceleration at the PHELIX system. Apart from self-supporting cryogenic hydrogen targets for laser driven ion acceleration experiments a second target geometry was investigated. This geometry incorporated the filling of hollow lead cylinders with cryogenic hydrogen. These targets could also be fabricated at the Institut für Kernphysik using a custom made cryogenic setup. They are suitable for the Laboratory Planetary Sciences (dt.: Labor-Planetologie) (LAPLAS) experimental campaign during the first phase of plasma physics experiments at the new accelerator facility Facility for Antiproton and Ion Research (dt.: Einrichtung zur Forschung an Antiprotonen und Ionen) (FAIR).English
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