Dokument: Towards Polarization Measurements of Laser-accelerated Helium-3 Ions

Titel:Towards Polarization Measurements of Laser-accelerated Helium-3 Ions
URL für Lesezeichen:https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=36589
URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20160203-102350-7
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Engin, Ilhan [Autor]
Dateien:
[Dateien anzeigen]Adobe PDF
[Details]49,34 MB in einer Datei
[ZIP-Datei erzeugen]
Dateien vom 15.12.2015 / geändert 15.12.2015
Beitragende:Prof. Dr. Büscher, Markus [Betreuer/Doktorvater]
Univ.-Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter]
Stichwörter:Laser-driven Ion Acceleration, Polarized Nuclear Fusion, Polarized Helium-3, Laser Acceleration
Dokumententyp (erweitert):Dissertation
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:KURZFASSUNG
Die vorliegende Arbeit umfasst vorbereitende Studien zur Spinpolarisationsmessung von 3He-Ionen aus laserinduzierten Plasmen.
In diesem Kontext wurden Experimente an zwei Hochleistungslasern, dem Arcturus Laser der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf sowie PHELIX an der GSI Darmstadt, durchgeführt, um effizient Ionen laserinduziert aus einem 4He-Gastarget zu beschleunigen. Das wissenschaftliche Ziel beider Experimente war, den Ionenbeschleunigungsmechanismus in unterdichten Plasmen zu untersuchen, indem die Ionenenergiespektren und die Winkelverteilung im Ionensignal rund um das Gasjettarget gemessen wurden. Laserbeschleunigte MeV-He-Ionen konnten erfolgreich detektiert werden. Hierbei wurde die Hauptbeschleunigungsrichtung bei großen Winkeln relativ zur Laserpropagationsrichtung bestimmt. Im zweiten Schritt wurde unpolarisiertes 3He-Gas eingesetzt, um die hier erzielten experimentellen Resultate mit denen von 4He zu vergleichen. Mit Hilfe der Daten zur erzielten Ionenausbeute konnten die erwarteten Raten der Fusionsreaktion D(3He,p)4He im polarisierten Falle abgeschätzt werden: Die gewonnenen Informationen bezüglich der Fusionsprotonenausbeute dieser Kernreaktion erlaubt eine experimentell gestützte Abschätzung für zukünftige Experimente mit vorpolarisiertem 3He-Gas als Plasmatarget. Die experimentellen Daten stimmen mit begleitenden Particle-in-Cell (PIC) Simulationen auf den Jülicher Supercomputern überein. Hierbei wurde das simulierte Target als neutrales Gas definiert.
Der Einsatz von vorpolarisiertem 3He-Gas stellt neue Anforderungen an den Versuchsaufbau für Laserbeschleunigungsexperimente. Bestandteil dieser Anordnung ist ein (externes) homogenes magnetisches Haltefeld (Feldstärke ~ 1,4 mT) für eine längerfristige Lagerung des vorpolarisierten Gases in der PHELIX Targetkammer. Zu diesem Zweck wurde eine präzise Halbachanordnung aus horizontal gelagerten Ringen mit Permanentmagneten entworfen, optimiert und in Hinblick auf eine hohe Homogenität und auf den verfügbaren Platz in der Vakuumkammer konstruiert. Zusammen mit zusätzlichen Helmholtzspulen innerhalb der Targetkammer (Durchmesser von 0,8 m) kann die Richtung des homogenen Magnetfeldes variiert werden.
Ferner musste ein neues Konzept einer Gasstrahlquelle bestehend aus einem schnellen Druckverdichter aus nichtmagnetisierbaren Materialien und einem schnellöffnenden nichtmagnetischen Ventil mit aufgeflanschter Überschalldüse entwickelt werden, um polarisierte Gasjets mit adäquatem Dichteprofil aufzubauen. Das vorpolarisierte Gas wird bei kleinem Druck (3 bar) angeliefert, was für eine effiziente laserinduzierte Ionenbeschleunigung nicht von Vorteil ist. Der 3He-Gasdruck muss daher verzehnfacht werden. Herkömmliche Öffnungsmechanismen, welche in konventionellen Solenoidventilen Anwendung finden, eignen sich nicht für den Einsatz mit spinpolarisiertem Gas. Ein piezogetriebenes und ein druckgesteuertes Ventil in Kombination mit einem neuartigen Druckverdichter erfüllen die Anforderungen.

ABSTRACT
In the framework of this thesis, preparatory investigations for the spin-polarization measurement of 3He ions from laser-induced plasmas have been performed.
Therefore, experiments aiming at an efficient laser-induced ion acceleration out of a 4He gas target were carried out at two high-intensity laser facilities: the Arcturus laser at Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf as well as PHELIX at GSI Darmstadt. The scientific goal of both experiments was to investigate the ion-acceleration process in underdense plasmas by measuring the ion energy spectra and the angular distribution of the ion signal around the gas-jet target. Laser-accelerated MeV-He-ions could successfully be detected. The main acceleration direction at large angles with regard to the laser propagation direction was determined. In a second step, unpolarized 3He gas was attached in order to cross-check the experimental results with those of 4He. With the help of the achieved ion yield data, the expected rates of the fusion reaction D(3He,p)4He in the polarized case have been estimated: the information regarding the fusion proton yield from this nuclear reaction allows an experimentally based estimation for future experiments with pre-polarized 3He gas as plasma target. The experimental data is in line with supporting Particle-in-Cell (PIC) simulations performed on the Jülich supercomputers. For this purpose, the simulated target was defined as a neutral gas.
The use of pre-polarized 3He gas demands a special preparation of a polarized 3He target for laser-acceleration experiments. This layout includes an (external) homogeneous magnetic holding field (field strength of ~ 1.4 mT) for storing the pre-polarized gas for long time durations inside the PHELIX target chamber. For this purpose, a precise Halbach array consisting of horizontally arranged rings with built-in permanent magnets had to be designed, optimized, and constructed to deliver high homogeneity and take into account the available amount of space inside the vacuum chamber. Together with additional Helmholtz coils inside the target chamber (diameter of 0.8 m) the direction of the homogeneous magnetic field can be varied.
Furthermore, a new concept of a proper gas source composed of a fast pressure booster made of non-magnetizable materials and a fast-opening non-magnetic valve with a supersonic nozzle attached had to be designed in order to produce polarized gas jets with adequate density profiles. The pre-polarized gas is delivered at a low pressure (3 bar) which is not suitable for an efficient laser-driven ion acceleration. Hence, the 3He gas pressure has to be increased tenfold. Prevalent opening mechanisms being used in commercial solenoid valves are not applicable for spin-polarized gases. A piezo-driven and a pressure-driven valve in combination with a novel booster made of unprohibited materials fulfill the requirements.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Sonstige Einrichtungen/Externe
Dokument erstellt am:03.02.2016
Dateien geändert am:03.02.2016
Promotionsantrag am:27.08.2015
Datum der Promotion:20.11.2015
english
Benutzer
Status: Gast
Aktionen