TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Kryogene Wasserstoff- und Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung

Tebartz, Alexandra Simone (2018):
Kryogene Wasserstoff- und Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8205],
[Ph.D. Thesis]

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.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Tebartz, Alexandra Simone
Title: Kryogene Wasserstoff- und Deuteriumtargets zur Laserionenbeschleunigung
Language: German
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.

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: 02 Dec 2018 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8205
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82056
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 8 January 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
This thesis presents an implementation of the condensation method for in situ creation of freestanding cryogenic hydrogen and deuterium targets using a tailored experimental apparatus. The presented method enables the preparation of substances that occur as gases under standard conditions as debris-free solid state targets for laser-matter-interaction. This thesis focuses on targets suitable for laser-driven ion acceleration. The condensation method is based on the manipulation of the target material phase. A gas is let into a small growth chamber that surrounds a cooled target frame with an aperture. Pressure increase and temperature decrease lead to liquefaction of the gas. Once the liquid has covered the frame, thereby filling the aperture, the chamber is further cooled to solidify the target material. The growth chamber can then be removed, leaving a freestanding solid target accessible to the laser. This principle is suitable for a range of gaseous materials. The setup for the creation of freestanding cryogenic targets and a variety of planned and implemented improvements are presented with respect to the conditions for the solidification of hydrogen and deuterium. The procedures are governed by the respective triple point temperatures of the gases hydrogen and deuterium, 14.0 K and 18.7 K. Regenerative cooling mechanisms, based on the expansion of a working gas, are presented, together with the consequential implications for the setup. The mechanisms of heat transfer play a role for the geometry and material choice of the setup. These mechanisms, and their relevance for the experimental procedure, are discussed along with the systems for pressure and temperature control. Other methods for the creation of cryogenic targets are introduced; these include modifications of the condensation method, the extrusion of a ribbon target and a liquid jet, and the spraying of a cooled gas on a cooled frame. Each method carries its own advantages and disadvantages, which are discussed in detail. Several methods for in situ target characterization are discussed in this thesis, including a sideview camera and a chromatic confocal sensor. Using the latter, the temporal target development with a temporal resolution of one second was analyzed and a linear model for the extrapolation of target thickness was validated. Cryogenic deuterium targets for two experiments at the laser systems PHELIX and VULCAN were created with the presented condensation method. A pure deuteron beam was demonstrated to be accelerated while the presence of protons could be excluded with a detection threshold of 7.5*10^9 protons per MeV and sr.English
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google

Optionen (nur für Redakteure)

View Item View Item