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.

Kryogene Tröpfchenquelle für die Laserplasmaphysik

 

Eine unter Druck stehende Flüssigkeit, die durch eine kleine Öffnung strömt, erzeugt einen kontinuierlichen, zylindrischen Strahl bevor er schließlich infolge von Rayleigh induzierten Oszillationen spontan in einen Strahl aus sphärischen Tröpfchen aufbricht. Derartige Strahlen eignen sich besonders gut als Tragetstrahl, da sie begrenzungsfrei und selbstregenerieren sind. Deshalb finden diese Strahlen weitverbreitet Anwendung, z.B. zur Erzeugung weicher Röntgenstrahlung, Röntgenabsorptionsspektroskopie, Photoelektronspektroskopie, Femtosekundenröntgenkristallographie und zur Untersuchung von strukturellen Phasenübergängen innerhalb kurzer Zeitskalen.
Flüssige Mikrostrahlen sind vielversprechende Kandidaten für neuartige Untersuchungen der laserinduzierten Plasmagenerierung. Die Wechselwirkung von ultrakurzen Laserpulsen mit Festkörpertargets ermöglicht die Erzeugung extremer Bedingungen, die für tabletop Teilchenbeschleuniger und experimenteller Astrophysik relevant sind. Hierbei wird anfängliche Laserenergie durch die Erzeugung relativistischer Elektronen auf das Target übertragen. Jedoch führt die übliche Grösse der verwendeten Targets, meist flache dünne Folien von einigem mm² zu cm² Größe, dazu dass sich die heißen Elektronen transversal im Target ausbreiten können, was zu einer signifikanten Abnahme der Energiedichte führt. Dies verhindert die effiziente Aufheizung des Targetmaterials, was wiederum ummittelbare Folgen für grundlegende Prozesse wie der Ionenbeschleunigung hat. Jüngste Bemühungen haben Hinweise für eine sehr effizientes Aufheizungen des Targets geliefert, wenn annähernd massenreduzierten Target verwendet werden, deren transversale Ausdehnung vergleichbar zum Laserfokus ist. Jedoch leiden diese Experimente unter dem großen Nachteil, dass jene Targets nach jedem Laserschuss erneuert werden müssen. Tröpfchenstrahlen stellen für diese Art der Anwendung eine hervorragende Alternative dar. Wenn die Rayleighinstabilität durch eine absichtliche, periodische Anregung induziert wird, liefert der Tröpfchenstrahl periodisch aufgereihte und gleichgroße Tröpfchen mit einer Rate von mehreren MHz. Dies ermöglicht detaillierte Skalierungsuntersuchungen unter sehr gut reproduzierbaren Bedingungen.
Während nun seit Jahrzehnten in den Laboratorien die verschiedensten Mikrotröpfchenstrahlen, bestehend aus Wasser, Metallen und auch organischen Lösungen, erzeugt werden, stellt die stabile Erzeugung von periodischen Tröpfchenstrahlen aus kryogenischen Elementen wie Wasserstoff und Argon immer noch eine Herausforderung dar. Der hohe Wert des Dampfdrucks am Tripelpunkt von Argon und Wasserstoff resultiert in einer sehr effektiven Verdampfungskühlung im Vakuum. Hierdurch kühlt der flüssige Strahl rapide ab, so dass dessen Temperatur unter die Schmelztemperatur fällt und der Strahl friert bevor der Rayleighaufbruch stattfinden kann. Das Frieren kann verhindert werden, indem der Strahl in einer Gasatmosphäre bestehend aus dem entsprechenden Gas erzeugt wird und erst nach einsetzen des Rayleighaufbruch ins Vakuum gelangt. Diese Methode wenden wir in unseren neuartigen Tröpfchenquelle an, um einen stabilen und periodischen Wasserstoff- bzw. Argontröpfchenstrahl zu erzeugen. Synchronisiert man nun Tröpfchenstrahl und Laser zueinander, ist es möglich die Repetitionsrate der existierenden Hochleistungslaser voll auszunutzen. Zudem stellen die Tröpfchen ideal massereduzierte Target dar, im Gegensatz zu den annähernd massereduzierten Targets, die noch einer dünnen Halterung bedürfen.

Die Tragetquelle, die hier entwickelt worden ist, wurde bereits bei einem Experiment zur Untersuchung von warmer, dichter Materie am PHELIX-Laser eingesetzt und soll auch in weitergehenden Experimenten dort zur Anwendung kommen. Zudem sind Experimente zur Untersuchung der Ionenbeschleunigung in laserinduzierten Plasmen am JETI-Laser geplant, bei denen diese Quelle dann die erforderlichen Wasserstofftröpfchen liefern soll.

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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).