SPARC: Target Developments

 

Interne Targetexperimente am geplanten Hochenergie-Speicherring (HESR) sind aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit ein wesentlicher Schwerpunkt des zukünftigen Forschungsprogramms bei FAIR. Hierbei sollen im Rahmen der SPARC und PANDA Kollaborationen fundamentale Fragen der atomaren  und starken Wechselwirkungsprozesse beantwortet werden, wofür bei der Letzteren der gleichnamige Prototyp eines universellen Detektors zur Messung von Antiproton-Proton-Reaktionen zum Einsatz kommt. Da bei den genannten Experimenten Prozesse untersucht werden sollen, die enorm kleine Wechselwirkungsprozesse aufweisen, ist der Einsatz von hochdichten internen Targets im Zuge einer Optimierung hinsichtlich der Luminosität des Experimentaufbaus entscheidend. Die technisch gesehen anspruchsvolle Entwicklung und Realisierung eines solchen Targetsystems ist von enormer wissenschaftlicher Bedeutung und wird die experimentelle Infrastruktur nachhaltig verbessern.
In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte, insbesondere im Bereich höchster Targetdichten bei der Verwendung leichter Elemente wie z.B. Wasserstoff und Helium, bezüglich der Eigenschaften von internen Targets erarbeitet. Vor allem die Expansion einer Flüssigkeit bei tiefen Temperaturen stellt eine ernstzunehmende Alternative zum Einsatz von durch Überschallexpansion eines Gases erzeugten Clusterstrahlen dar. Dies wurde kürzlich am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI durch den Einsatz einer neuartigen kryogenen Mikrotröpfchen-Strahlapparatur gezeigt. Die Eigenschaften des durch Düsenstrahlexpansion produzierten Strahls hängen maßgeblich von der verwendeten Düsengeometrie ab. Es ist zum Beispiel sowohl experimentell als auch theoretisch wohlbekannt, dass die Benutzung einer Laval-Düse bei der Überschallexpansion eines Gases aufgrund ihrer speziellen Geometrie Vorteile bietet. Diese führt dazu, dass die Anzahl der Stöße zwischen den expandierenden Gasatomen beträchtlich zunimmt und somit die Entstehung größerer Cluster erleichtert wird, was wiederum eine höhere Massendichte in Strahlrichtung und somit eine größere Targetdichte, auch bei größeren Abständen zu der Düse, zur Folge hat. In diesem Fall werden Cluster also durch Kollisionsprozesse erzeugt, während bei der Expansion einer Flüssigkeit die Tröpfchen durch Fragmentierung entstehen. Nichtsdestotrotz ist die Frage, ob die Laval-Düse die ideale Wahl bezüglich der Experimentanforderungen darstellt, noch unbeantwortet. Die Geometrie spielt hier zwar sicherlich eine entscheidende Rolle, jedoch ist ihr genauer Einfluss auf die Strahleigenschaften wie z.B. Tröpfchengröße und Größenverteilung noch nicht vollständig entschlüsselt. Die Vorhersage dieser Eigenschaften wird noch schwieriger, wenn ein Gas im superkritischen Zustand expandiert wird, da komplizierte Wechselwirkungen zwischen gasförmiger und flüssiger Phase berücksichtigt werden müssen. Daher ist eine genaue Charakterisierung der Tröpfchenstrahleigenschaften in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Bedingungen unabdingbar.
Ein wichtiger Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist dementsprechend die vollständige Charakterisierung von Tröpfchentarget genau zu untersuchen, um schlussendlich die endgültigen optimalen Parameter für die Bereitstellung eines hochdichten internen Targets zu liefern. Unterschiedliche Experimentiermethode werden hierbei zu nutze gemacht, wie etwa Streulichtmethoden. Eine allgemeine Streutheorie für linear polarisierte, monochromatische, elektromagnetische Wellen an Sphären aus dielektrischem Material wurde von Mie und anderen entworfen und ist bei der grundlegenden Charakterisierung eines Tröpfchentargets, zu deren Zweck das vom Targetstrahl gestreute Licht vermessen wird, sehr hilfreich. Die Durchführbarkeit eines solchen Experiments wurde kürzlich in unserem Labor am Institut für Kernphysik in Frankfurt (IKF) demonstriert. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf Düsenstrahlen, die durch die Expansion eines Gases, welches in superkritischer oder flüssiger Phase vorliegt, erzeugt werden. Diese Vorgehensweise erscheint im Hinblick der Erzeugung hochdichter Targetstrahlen am vielversprechendsten zu sein.
Diese Streulichtexperimente werden in einer sehr engen Zusammenarbeit mit Dr. Alfons Khoukaz (Universität Münster) und Dr. Herbert Orth (GSI) aus der PANDA Kollaboration detailliert geplant und durchgeführt.

SPARC: Target Developments

 

The research work in our group aims at advancing the science and technology of cryogenically cooled liquid beams with applications in a broad range of topical research fields. A liquid, initially at a source pressure and at a source temperature, expanding through a pinhole orifice (a “nozzle”) into a high vacuum region delivers a uniquely functional target in the form of a boundary-free, self-replenishing droplet beam. Liquid jets have found widespread applications, e.g., for soft X-ray generation, X-ray absorption spectroscopy, photoelectron spectroscopy, and femtosecond X-ray crystallography. In our group we further investigate the great potential of cryogenically cooled droplet beams to open new avenues into a broad spectrum of scientific endeavors, developing microscopic liquid jets into unique and powerful tools for fundamental physical measurements in atomic, plasma, and condensed matter physics.

Target at HESR

 

Target development for relativistic laser-plasma generation

 

Progress Reports
References
  1. M. Kühnel, N. Petridis, D. F. A. Winters, U. Popp, R. Dörner, Th. Stöhlker, and R. E. Grisenti, Low-Z internal target from a cryogenically cooled liquid microjet source. Nucl. Instr. and Meth. A 602, 311 (2009).
  2. M. Kühnel, J. M. Fernández, G. Tejeda, A. Kalinin, S. Montero, and R. E. Grisenti, Time-resolved study of crystallization in deeply cooled liquid parahydrogen. Phys. Rev. Lett. 106, 245301 (2011).
  3. N. Petridis, A. Kalinin, U. Popp, V. Gostishchev, Yu. A. Litvinov, C. Dimopoulou, F. Nolden, M. Steck, C. Kozhuharov, D. B. Thorn, A. Gumberidze, S. Trotsenko, S. Hagmann, U. Spillmann, D. F. A. Winters, R. Dörner, Th. Stöhlker, and R. E. Grisenti, Energy loss and cooling of relativistic highly charged uranium ions interacting with an internal hydrogen droplet target beam. Nucl. Instr. and Meth. A 656, 1 (2011).
  4. R. A. Costa Fraga, A. Kalinin, M. Kühnel, D. C. Hochhaus, A. Schottelius, J. Polz, M. C. Kaluza, P. Neumayer, and R. E. Grisenti, Compact cryogenic source of periodic hydrogen and argon droplet beams for intense laser-plasma generation. To be published in Rev. Sci. Instr. (E-print arXiv:1109.0398).

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