Günther, Marc Maximilian (2011)
Untersuchung relativistischer Laserplasmen mittels nukleardiagnostischer Verfahren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Wechselwirkung intensiver, gepulster Hochenergielaserstrahlung mit Festkörperproben in einem Bestrahlungsstärkebereich von mehr als 10^18 W/cm^2 bedingt die Erzeugung relativistischer Elektronen mit Energien von mehreren Millionen Elektronenvolt. Durch nichtlineare und relativistische Effekte, wird der maximale Laserbestrahlungsstärkebereich während der Wechselwirkung beeinflusst. Die Folge ist, dass die tatsächliche reale, maximale Bestrahlungsstärke am Ort der Wechselwirkung nicht direkt gemessen werden kann. Der Bereich der maximalen Bestrahlungsstärke und die damit verbundenen Eigenschaften der relativistischen Elektronen sind dabei über Laserabsorptionsprozesse an diesen Bestrahlungsstärkebereich gekoppelt. Die genaue Kenntnis über die Eigenschaften dieses relativistischen Laserplasmabereichs ist von großer Bedeutung hinsichtlich der Bereitstellung, der Optimierung und der Kontrollierbarkeit lasergetriebener Sekundärteilchen- und Photonenstrahlen. Damit verbunden sind wiederum zum Beispiel zahlreiche kernphysikalische Anwendungen, wie die Realisierung und Optimierung gepulster Neutronenquellen und die Optimierung der lasergestützten Herstellung brauchbarer Mengen an kurzlebigen Radionukliden für die nuklearmedizinische Diagnostik sowie Therapie. Des Weiteren ist die Kenntnis über den Bereich der relativistischen Elektronen im Rahmen der Energiegewinnung durch die Trägheitsfusion unter Verwendung des Konzeptes der schnellen Zündung von Interesse. Nicht zuletzt tragen die auf Kernenergie basierenden Kraftwerke, vor allem die konventionellen Kernkraftwerke dazu bei, große Mengen an sogenannten radioaktiven Müll zu produzieren. Dabei handelt es sich überwiegend um aktivierte Materialien, welche aus langlebigen Radionukliden bestehen. Die Nutzung von Hochenergielasersystemen kann unter Umständen dazu beitragen, grundlegende Untersuchungen bezüglich der Kerntransmutationen dieser langlebigen Nuklide in kurzlebige Isotope im Rahmen der kernphysikalischen Materialwissenschaften durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine nukleardiagnostische Methode entwickelt zur Untersuchung des Bereichs der in relativistischen Laser-Plasma-Wechselwirkungen erzeugten hochenergetischen Elektronen. Das Ziel war es darüber hinaus die maximale Bestrahlungsstärke während dieser Wechselwirkung zu bestimmen. Die Arbeit wurde in der Arbeitsgruppe Laser- und Plasmaphysik am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt und in Zusammenarbeit mit der Plasmaphysikgruppe des GSI - Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt verfasst. Die Grundlage der entwickelten nuklearen Diagnostik stellt dabei eine auf Photo-Neutron-Desintegrationen basierende Kernaktivierungsmethode dar. Dabei wurden neuartige pseudolegierte Aktivierungsproben eingesetzt, welche als eine Art Kalorimeter für die durch Bremsstrahlungsprozesse der relativistischen Elektronen entstehenden hochenergetischen Photonen fungierten. Die Proben bestehen aus verschiedenen Isotopen mit unterschiedlichen (g,xn)-Reaktionsschwellen. Die entsprechenden aktivierten Nuklide wurden mittels hochauflösender Gammaspektroskopie über ihre Gammastrahlung identifiziert und die Reaktionsausbeute quantitativ detektiert. Mittels einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Analysemethode wurden aus den Gammaspektren die ursprünglichen Bremsstrahlungsspektren rekonstruiert. Mit diesen Informationen wurden darüber hinaus die Eigenschaften der bremsstrahlungerzeugenden Elektronen am Ort der Laser-Plasma-Wechselwirkung bestimmt. Mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten nuklearen Diagnositik wurde zudem die mittlere Bestrahlungsstärke am Ort der Laser-Plasma-Wechselwirkung bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente an drei verschiedenen Lasersystemen durchgeführt. Erste experimentelle Tests wurden am 100 TW Lasersystem des Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intense (LULI) in Frankreich und am Vulcan Lasersystem des Rutherford Appleton Laboratory (RAL) in Großbritannien durchgeführt. Der Hauptteil der Aktivierungsexperimente wurde am PHELIX-System (Petawatt High Energy Laser for heavy Ion EXperiments) des GSI - Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt durchgeführt. Hierbei handelt es sich um die ersten an dem PHELIX-System durchgeführten nuklearen Aktivierungsexperimente. Die während dieser Arbeit mittels der neuartigen nukleardiagnostischen Methode erhaltenen Resultate ermöglichen ein erweitertes Verständnis über den hochenergetischen Bereich lasererzeugter relativistischer Elektronen. Insbesondere zeigte diese auf Kernaktivierungen basierende Methode die Fähigkeit die reale maximale Bestrahlungsstärke während der relativistischen Laser-Plasma-Wechselwirkung zu bestimmen.

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