Nebendiagnostiken

Neben den zuvor beschriebenen Ergebnissen, die aus der Auswertung der Ionenstrahldiagnostiken RCF-Stapel und Thomson-Parabel-Spektrometer gewonnen wurden, wurden in der Experimentkampagne auch die Strahldiagnostik mittels NAIS sowie die Neutronendetektion mittels Blasen-Detektoren erprobt.

Kernaktivierungsspektroskopie

Als Ergänzung zur Auswertung der RCF-Stapel wurden auch die darin verwendeten Metallfolien mittels NAIS ausgewertet. Ein Beispiel des auf diese Weise gewonnenen Strahlprofils aus Experiment 7451 ist in Abb. 4.30 dargestellt. Hierzu wurde der RCF-Stapel wenige Minuten nach der Durchführung des Experiments aus der Target-kammer entnommen und in einem speziell abgeschirmten Bereich des Experimentierplatzes die Metallfolien von den RCF-Folien getrennt. Die Metallfolien wurden anschließend auf eine IP gelegt und die IPs nach einer Belichtungszeit von 15 min bis 30 min eingescannt. Abbildung 4.30 zeigt, dass die räumliche Auflösung der Metallfolien vergleichbar ist mit dem Auflösungsvermögen der RCF-Filme (vgl. Abb. 4.5). Im direkten Vergleich mit den RCF-Filmen zeigt sich jedoch ein geringeres Kontrastverhältnis der mittels NAIS aufgelösten Spektren, die keine Differenzierung der in Abb. 4.5 identifizierten getrennten Strahlanteile erlauben.

Da nach der Durchführung des Laser–Materie-Wechselwirkungsexperiments mit kryogenen Targets der Kryoaufbau zunächst auf Raumtemperatur aufgewärmt werden musste, ehe der RCF-Stapel und damit auch die Metallfolien für NAIS entnommen werden konnten, führte dies zu Wartezeiten von ca. 60 min nach Aktivierung der Folien durch den erzeugten Ionenstrahl. Nach dieser Zeitspanne waren die teils kurzlebigen angeregten Zustände einzelner Zerfallsprozesse bereits abgeregt und konnten nicht mehr ausgewertet werden (vgl. Tabelle 2.3). Aufgrund dieser zeitlichen Beschränkung und dem Mangel an zusätzlichen Informationen durch NAIS gegenüber der zeitlich unkritischen Auswertung der RCF-Stapel hat sich NAIS für die Experimentkampagne nur als bedingt tauglich erwiesen, da kein Vergleich zwischen den Ionenstrahlprofilen der verschiedenen Targettypen (kryogene Targets und Plastiktargets) möglich war. Daher wurde auf eine detaillierte Auswertung der mittels NAIS im Experiment gewonnenen Daten verzichtet.

Blasen-Detektoren

Neben dem Nachweis des Hauptziels der Experimentkampagne, der Erzeugung hochenergetischer Ionenstrahlen, wurden Blasen-Detektoren zur Detektion von durch Sekundärprozesse entstehenden Neutronen eingesetzt. Die Blasen-Detektoren wurden nach jedem Experiment ausgelesen, zurückgesetzt und erneut am gleichen Messpunkt angebracht. Abbildung 4.32 zeigt die Auswertung der ermittelten Neutronendosiswerte exemplarisch für einige der im April 2013 durchgeführten Experimente.

98 4. Auswertung

(1)9 MeV (2)13 MeV (3)17 MeV (4)20 MeV (5)25 MeV

Abbildung 4.26:Ionenstrahlprofil des RCF-Stapels aus Experiment 8209 an PHELIX. Das Experiment wurde mit einem freitragenden kryogenen Deuteriumtarget mit einer Gesamtdicke von ca. 1000µm und einem Laserpuls der Energie 160 J unter einem Einfallswinkel von 0° durchgeführt und erzeugte einen Ionenstrahl mit einer Maximalenergie von 28,6 MeV.

Die unter den einzelnen Bildern angegebenen Energiewerte entsprechen der Maximalenergie der Ionen, die im jeweiligen RCF-Film vollständig gestoppt wurden. Der RCF-Stapel wurde im Experiment auf die Laserachse zentriert, das Loch in der Mitte diente der Transmission eines Teils des Ionenstrahls in das hinter dem RCF-Stapel positionierte Magnetspektrometer. Die Grundfarbe des jeweiligen RCF-Films ist abhängig von der verwendeten Filmart (HD,MD bzw.EBT).

Der RCF-Stapel zeigt ein einzelnes, schwach ausgeprägtes Strahlprofil mit hoher Divergenz und geringer Maximal-energie. Das Zentrum des Strahlprofils liegt oberhalb der Laserachse und lässt auf eine Beschleunigung mittels TNSA schließen.

0 5 10 15 20 25

10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰ 10¹¹ 10¹² 10¹³

Proton energy (MeV)

proton number N per unit energy of 1 MeV

deconvolved fit 95% confidence band 95% confidence band deconved particles fit with dN/dE=N₀/E*exp(−(E/T_hot)), weighted with energy deposition

N₀ = (1.37 ± 0.27) ⋅ 10¹³ kT = (4.15 ± 0.32) MeV E_cut = 28.64 MeV

Conversion efficiency (> 4 MeV; without aperture): (2.56 ± 0.86) % Intensity = 1.58e+21 W/cm²

Abbildung 4.27:Energiespektrum des in Experiment 8209 an PHELIX erzeugten Ionenstrahls. Das Experiment wurde mit einem freitragenden kryogenen Deuteriumtarget mit einer Dicke von ca. 1000µm und einem Laserpuls der Energie 160 J unter einem Einfallswinkel von 0° durchgeführt und erzeugte einen Ionenstrahl mit einer Maximalenergie von 28,6 MeV.

Die Abbildung zeigt die aus dem RCF-Stapel (siehe auch Abb. 4.26) umgerechnete Ionenanzahl pro Energieintervall von 1 MeV. Die Gesamtzahl der Deuteronen im Ionenstrahl betrug hierbei (1,4±0,3)×10¹³. (Geschwind 2014)

4.2. PHELIX 99

Abbildung 4.28:Rohdaten der IP des Thomson-Parabel-Spektrometers aus Experiment 8209 an PHELIX. Das Experi-ment wurde mit einem freitragenden kryogenen Deuteriumtarget mit einer Gesamtdicke von ca. 1000µm und einem Laserpuls der Energie 160 J unter einem Einfallswinkel von 0° durchgeführt und erzeugte einen Ionenstrahl mit einer Maximalenergie von 28,6 MeV (Auswertung des RCF-Stapels).

Die IP zeigt eine Spur, die Protonen oder Deuteronen zuzuordnen ist. Die horizontale Ablenkung der Ionen im Spektrometer ist indirekt proportional zu Ihrer Energie, d. h. die Energie nimmt von links nach rechts ab; die vertikale Ablenkung ist proportional zum Ladung/Masse-Verhältnis der Ionen und nimmt von unten nach oben zu. Eine detaillierte Auswertung der Messdaten war aufgrund des unzureichenden Auflösungsvermögens des Spektrometers nicht möglich. (Schanz 2013)

(1)28 MeV (2)40 MeV (3)45 MeV (4)55 MeV (5)58 MeV

Abbildung 4.30:Mittels NAIS gewonnenes Ionenstrahlprofil des RCF-Stapels aus Experiment 7451 an PHELIX. Das Experiment wurde mit einem Plastiktarget (TPX) der Dicke 0,745µm und einem Laserpuls der Energie 214 J unter einem Einfallswinkel von 10° durchgeführt und erzeugte einen Ionenstrahl mit einer Maximalenergie von 64,6 MeV.

Die in den Kupferfolien des RCF-Stapels induzierten Ionenstrahlprofile wurden nach dem Experiment per Autoradio-graphie auf IPs übertragen und digitalisiert. Die unter den einzelnen Bildern angegebenen Energiewerte entsprechen der Maximalenergie der Ionen, die in der jeweiligen Kupferfolie vollständig gestoppt wurden.

Das mittels NAIS aufgenommene Strahlprofil entspricht der Auswertung der RCF-Filme desselben RCF-Stapels (vgl. Abb. 4.5). Aufgrund des geringeren Kontrasts ist eine Differenzierung der beiden mittels RCF identifizier-ten überlageridentifizier-ten Strahlprofile hier nicht möglich.

100 4. Auswertung

(1)Experiment 7418 (2)Experiment 7440 (3)Experiment 7444 (4)Experiment 7446

(5)Experiment 7448 (6)Experiment 7451 (7)Experiment 7454 (8)Experiment 7456

Abbildung 4.32:Neutronendosiswerte während der Experimente an PHELIX. Die Abbildungen zeigen exemplarisch die räumliche Verteilung der Neutronendosiswerte inµSv, die während der Experimente zur lasergetriebenen Ionen-beschleunigung gemessen wurden. Hierzu wurden acht Blasen-Detektoren an den Außenwänden der Targetkammer befestigt und nach jedem Experiment ausgewertet. 0° entspricht der Richtung der Laserpropagation durch das Target. Die einzelnen Abbildungen zeigen eine erhöhte Neutronendosis im Raumwinkelbereich zwischen 165° bis 200°, die der beiläufigen Aktivierung der Fokussierparabel aus Kupfer durch Sekundärstrahlung während der Laser–

Materie-Wechselwirkung zuzuordnen ist, sowie eine leichte Erhöhung im Bereich von 345°, die auf die Aktivierung der Kupferfolien im RCF-Stapel zurückzuführen ist.

4.2. PHELIX 101

Aus der Verteilung der Neutronen ist keine eindeutige Vorzugsrichtung zu erkennen, die z. B. mit der Erzeugung der hochenergetischen gerichteten Protonen in direkten Zusammenhang gebracht werden könnte. Auffällig ist eine leichte Erhöhung der gemessen Dosiswerte in entgegengesetzter Richtung der Laserpropagation zum Target. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die letzte strahlformende Optik, der Parabolspiegel aus Kupfer. Wie in Abschnitt 2.6.5 diskutiert, bietet die Aktivierung von Kupfer durch ionisierende Strahlung mehrere mögliche Zerfallsprozesse, die Neutronen emittieren. Dadurch ist der Parabolspiegel durch seine Größe und die damit verbundene Kupfermenge eine mögliche Quelle für erhöhte Neutronenemissionen. Als zweite Quelle kommen die für NAIS verwendeten Kupferfolien des RCF-Stapels in Betracht, die zwar eine deutlich geringere Masse als der Parabolspiegel aufweisen, dafür aber im direkten Strahlengang des Ionenstrahls platziert sind und somit einer höheren Intensität ionisierender Strahlung ausgesetzt sind. Schließlich kann auch das für den Targethalter des Kryoaufbaus verwendete Kupfer durch Wechselwirkungsprozesse mit dem im Target erzeugten Plasma und der resultierenden ionisierenden Strahlung aktiviert werden und Neutronen abgeben.

Aufgrund dieser möglichen Nebenquellen und der groben räumlichen Auflösung bedingt durch die geringe Anzahl der verwendeten Blasen-Detektoren konnte keine sinnvolle Analyse der aufgenommenen Neutronendosiswerte durchgeführt werden. Die exemplarisch untersuchten Experimente legen jedoch den Schluss nahe, dass die Ge-samtdosis der detektierten Neutronen mit der Maximalenergie der erzeugten Protonen und damit der Effizienz des Laser–Materie-Wechselwirkungsprozesses skaliert. Dies ist insofern konsistent, als dass eine größere Anzahl bzw. eine höhere Energie der erzeugten Ionen die Wahrscheinlichkeit für Neutronen erzeugende Wechselwirkungsprozesse bei der Interaktion mit Materie erhöht.