Aufbau und Inbetriebnahme einer Kryoanlage zur Targeterzeugung für Experimente mit Hochenergielasern und Schwerionenstrahlen

• Main Author: Menzel, Jurij
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2010
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2061/1/Menzel_Jurij_Dissertation_Genehmigte_Fassung.pdf; Menzel, Jurij <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Menzel=3AJurij=3A=3A.html> (2010): Aufbau und Inbetriebnahme einer Kryoanlage zur Targeterzeugung für Experimente mit Hochenergielasern und Schwerionenstrahlen.Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

In dieser Arbeit wurde ein Kryosystem zur Erzeugung von Festkörpertargets entwickelt, mit dem Targets aus Materialien wie Edelgasen und Stickstoff, aber auch Wasserstoff und Deuterium präpariert werden können. Für die Entwicklung der Targets wurde eine Kryo-Test- und Entwicklungskammer aufgebaut, die es erlaubt, Kryotargets unabhängig von Experimentierplätzen zu entwickeln. Hierbei wurde darauf Wert gelegt, ein System zu konstruieren, das möglichst transportabel ist und gut an verschiedenen Messplätzen implementiert werden kann. Es wurden kryogene Targets in verschiedenen Geometrien erzeugt. Insbesondere Targets mit einem großen Aspektverhältnis, die nur wenige Mikrometer dick sind aber deren Ausdehnung in lateraler Richtung um ein Vielfaches größer ist, sind für die geplanten Experimente interessant. Diese lassen sich mit Lasern relativ homogen heizen, was die Messung des Energieverlustes von Schwerionen unter wohl definierten Bedingungen im Plasma ermöglicht. Im Hinblick auf Energieverlustmessungen wurde auch eine Targetgeometrie untersucht, die kryotechnisch leicht umzusetzen ist. Hierfür wurden kryogene Stickstofftargets mit cm-Abmessungen erzeugt und mit dem nhelix Hochenergielasersystem bestrahlt. Es wurden sowohl die freie Elektronendichte im Plasma im Bereich bis 10^20 cm^(-3) als auch die Elektronentemperatur im Bereich von 200 eV bestimmt. Die freie Elektronendichte aus dem entstehenden Plasma wurde mit Simulationsrechnungen verglichen und in Hinblick auf eine Energieverlustmessung analysiert. Die Elektronendichten zeigen über einen weiten Bereich eine gute Übereinstimmung zwischen den Messdaten und den Daten der Simulation. Für eine Energieverlustmessung ergab sich eine zu geringe und zu inhomogene Teilchendichte. Daher wurden andere Targets entwickelt. Für weitere Experimente wurden kryogene Deuteriumtargets mit großem Aspektverhältnis in verschiedenen Geometrien erzeugt. Mit einem Schwerionenstrahl vom UNILAC wurde das Target auf Durchlässigkeit untersucht und gezeigt, dass der Ionenstrahl das Target durchdringen kann. Ebenso wurde das Target gleichzeitig mit den Hochenergielasersystemen nhelix und Phelix bestrahlt und die freie Elektronendichte des Deuteriumplasmas bestimmt, die mit Simulationsrechnungen verglichen wurde, wobei sich wie bei den Experimenten mit kryogenem Stickstoff eine gute Übereinstimmung zwischen den Messdaten und den Daten der Simulation ergab. Um das Target unabhängig vom UNILAC charakterisieren zu können, ist eine Messmethode ohne Schwerionenstrahl entwickelt worden. Zur Bestimmung der Dicke von Deuteriumtargets wurde eine Elektronenquelle mit Strahlführung aufgebaut, die eine zeitaufgelöste Messung an Targets mit einem großen Aspektverhältnis erlaubt. Durch die Untersuchung mit einem Elektronenstrahl wurde die zeitliche Entwicklung von Targetdicken kleiner als 200 micrometer mit einer relativen Genauigkeit von 12% im für Energieverlustmessungen relevanten Bereich bestimmt. Hierfür wurden Simulationsrechnungen durchgeführt, die auch mit Messungen mit Folien aus Kohlenstoff verglichen wurden, wobei sich eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten ergab. Diesen Messungen entsprechend weisen die hergestellten Deuteriumtargets für eine ausreichend lange Zeit von einigen Minuten eine für Energieverlustmessungen geeignete Dicke auf.