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Osnabrücker naturwissenschaftliche Mitteilungen, Band 29 (2003)
(2003)
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Jahresbericht / IWF Wissen und Medien gGmbH
(2003)
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African publishing review
(2003)
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Yearbook / Institute for Law and Finance, Goethe-Universität Frankfurt am Main
(2003)
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Aufbau eines Experimentes zur Untersuchung der Ionenstrahlkühlung mit Hilfe eines HF-Quadrupols
(2003)
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Evangelos Vassilakis
- Die Arbeit beschreibt ein Experiment zur Kühlung eines 40Ar-Ionenstrahls mittels eines 4He-Hintergrundgases innerhalb eines unmodulierten RF-Quadrupols von 500 mm Länge. Ziel des Experimentes war es, den Einfluss der Gaskühlung auf die Qualität von Ionenstrahlen geringer Energie und Intensität zu untersuchen. Die Ionen wurden bei unterschiedlichen Spannungen aus einem Duoplasmatron extrahiert und vor der Injektion in den Quadrupol durch ein elektrostatisches Linsensystem formiert. Die Stromstärke der Strahles wurde mittels einer Faradaytasse gemessen, die mit einer Sekundärelektronen unterdrückenden Repellerblende ausgestattet ist. Der Einfluß der variierten Parameter Hintergrundgasdruck, Quadrupolfrequenz und Strahlenergie auf die Qualität des Strahls wurde dabei nicht direkt über dessen, die Phasenraumverteilung beschreibende, Emittanz gemessen, sondern über die Veränderung der registrierten Strahlstromstärken an einer Blende konstanter Apertur, also der Brillanz abgeleitet. Vorbereitend wurden zunächst Duoplasmatron und Injektionssystem überholt, aufgebaut und mit der nötigen Energie- und Kühlversorgung ausgerüstet. Im anschließenden Testlauf mit ungekühlten Heliumionen wurden die einzustellenden Werte der Betriebsparameter Quellendruck und diverse Blendenspannungen ermittelt und das System auf seine der Reproduktion dienenden Stabilität geprüft. Dabei wurden im Dauerbetrieb Strahlstromstärken von 0,29 mA bei 1 keV/u und 0,02 mA bei 0,15 keV/u Strahlenergie erzielt. Mittels der bekannten Emittanz des Helium-Strahls bei 1 keV/u Energie und 0,25 mA Strahlstromstärke wurde die jeweilige normierte Emittanz der noch ungekühlten Strahlen auf 2,18*10-2 im ersten und 1,61*10-2 im zweiten Fall abgeschätzt. Zur Gaskühlung wurde ein Quadrupol mit 10 mm Apertur- und 7,5 mm Elektrodenradius gefertigt und mit einem Phasentrenner gekoppelt. Ein Breitbandgenerator und -Verstärker dienten der frequenz- und spannungsvariablen Elektrodenbelegung. Der Hintergrundgasdruck wurde mittels einem handelsüblichen Regelventil variiert. Um der ein großes Masseverhältnis von Strahlionen zu Hintergrundgas fordernden Theorie Rechnung zu tragen, wurden Argon als Ionen und Helium als Buffergas gewählt. Einer eingehenden Untersuchung der Auswirkung der einzelnen Komponenten und ihrer Kombination auf die Eigenschaften des Ionenstrahls folgte eine schrittweise Variation von Quadrupolfrequenz und Hintergrundgasdruck im Bereich 1-5 MHz und 9*10-6 - 4*10-3 mbar bei den Strahlenergien 15, 25 und 80 eV/u. Die hierbei gemessenen Strahlstromstärken wurden über die frequenzabhängige Elektrodenspannung normiert und mit der Stärke der ungekühlten Strahlen verglichen. Bei 15 eV/u Strahlenergie konnte die gemessene Maximalstromstärke um 43 % von 0,014 µA/V ungekühlt auf 0,02 µA/V bei 1*10-4 mbar Hintergrundgasdruck gesteigert werden. Die Strahlstromstärke des Strahles mit 25 eV/u Energie wurde von 0,045µA/V des ungekühlten auf 0,1 µA/V bei ca. 6*10-5 mbar verdoppelt. Bei 80 eV/u Energie blieb die Strahlstromstärke mit 0,35 µA/V unverändert, jedoch wurde im gesamten Bereich zwischen 2*10-5 und 3*10-5 mbar und 3,4 - 4,6 MHz mit annähernd konstanten 0,28 µA/V ein Plateau hoher Strahlstromstärke registriert, dem etwa 0,06 µA/V im ungekühlten Strahl entgegenstehen. Ein weniger stark ausgeprägtes Analogon wurde bei 15 eV/u im Frequenzbereich um 3,5 MHz beobachtet. In zwei von drei Fällen konnte im Experiment die Strahlstromstärke durch die Gaskühlung deutlich gesteigert werden, im dritten Fall wurde die Zahl der transportierten Ionen in einem zuvor ungeeigneten Frequenzbereich um den Faktor 4,5 gesteigert. Durch die Beziehung zwischen Strahlstromstärke I, Strahlbrillanz B und Strahlemittanz ε mit I~B~1/ε2 kann abschließend eine Verminderung der Strahlemittanz durch die Gaskühlung festgestellt werden. Die durchgeführten Experimente haben gezeigt, daß man bei niedrigen Strahlenergien einfach geladene Ionen bei relativ hohem Gasdruck und geeigneten Parametern des Quadrupols transportieren und die Emittanz des Strahls verbessern kann. Die Kombination von Quadrupol und Buffergas stellt also ein System dar, das als Gaskühler bei kleinen Strömen von Niedrigenergiestrahlen eingesetzt werden kann. Als nächstes würde zur weitergehenden, jedoch den Rahmen dieser Arbeit übersteigenden Untersuchung ein technisch und finanziell aufwändigerer Aufbau benötigt. Das benutzte Linsensystem würde durch ein auf die Ionensorte speziell abgestimmtes Injektionssystem und die Faradaytasse durch eine rechnergesteuerte, orts- und winkelauflösende Emittanzmessanlage ersetzt. Die somit erhaltene höhere Auflösung des Strahles würde den Übergang von der vorliegenden qualitativen Beschreibung der Gaskühlung zu einer quantitativen ermöglichen.
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Simulationen zu zylindrischer Kompression von Plasmatargets
(2003)
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Reinhard Schmitt
- Um, mit Simulationsexperimenten, den Einfluß des Strahlprofils auf die Pellet- bzw. Targetdynamik bei der Trägheitseinschlussfusion mit Schwerionenstrahlen zu untersuchen, wurde der Simulationscode MULTI2D so modifiziert, daß eine Darstellung der Energiedeposition in zwei kartesischen Koordinaten möglich ist. Für die Simulationen wurde die Strahl-Target-Kombination von V. Vatulin, O. Vinokurov und N. Riabikina, “Investigation of the Dynamics of Solid Cylindrical Targets Illuminated by Ion Beams with Elliptic Cross Section“, aus dem GSI Report High Energy Density in Matter Produced by Heavy Ion Beams (GSI-99-04), verwendet. Die in der Arbeit von Vatulin et al. verwendeten Strahlparameter, beziehen sich auf ein an der GSI in Darmstadt in Planung befindliches Ionen- und Antiprotonensynchroton mit wesentlich höherer Strahlleistung als beim gegenwärtigen Schwerionensychrotron SIS. Um eine ausreichend hohe Auflösung zu erhalten, wurde für die Target-Simulation in MULTI2D ein Lagrange-Gitter mit 43200 Gitterpunkten ausgewählt. Als erstes wurden umfangreiche Untersuchungen der Entwicklung der Temperatur, des Drucks, der Geschwindigkeit und der Dichte der Volumenelemente des Targets durchgeführt. Hierzu wurden zweidimensionale Targetschnitte dieser Größen zu bestimmten Zeiten, ortsaufgelöste Darstellungen dieser Größen entlang einer kartesischen Achse des Targetschnitts zu ausgewählten Zeiten, und zeitaufgelöste Darstellungen dieser Größen an bestimmten Orten des Gitters, bzw. in bestimmten Volumenbereichen des Targets angefertigt. Sowohl bei Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl, als auch bei Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl, werden innerhalb von 20 ns 1.4 MJ/g deponiert. Während und nach der Energiedeposition breitet sich eine Kompressionswelle sowohl in Richtung Targetzentrum als auch in Richtung Targetperipherie aus. ~ 25 ns nach Beginn der Energiedeposition erreichen Temperatur und Druck ihren Maximalwert im Zentrum des Targets. Der Radius des Gebiets maximalen Drucks vergrößert sich innerhalb der nächsten 2 ns auf ~6 x 10 exp -3. Die Kompressionswelle breitet sich langsamer in Richtung Targetzentrum aus, als der Druck und die Temperatur. Wegen des hohen Drucks im Zentrum, befindet sich der Ort maximaler Dichte nicht im Targetzentrum, ~ 24,5 ns nach Strahlungsbeginn einen Ring hoher Dichte um das Zentrum herum. Kurz darauf, ~24,6 ns nach Strahlungsbeginn, bildet sich, ausgelöst durch das Zusammentreffen der Dichtewelle im Targetzentrum, ein kleinerer Ring hoher Dichte um das Targetzentrum herum. Bereits nach 24.75 ns, also nur 0.2 ns nach dem Zusammentreffen der Materie im Zentrum, ist die Dichte in diesem Ring höher als im weiter vom Targetzentrum entfernt liegenden Ring hoher Dichte. Dies gilt sowohl für die Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl, als auch für die Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl. Die Maximalwerte der Größen Temperatur, Druck und Dichte im Target liegen bei Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl bis zu 20% unter denen bei Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl. Die Dichten im Ring maximaler Dichte liegen bei Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl bei~ 160 g/ccm, bei Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl knapp darunter. Das maximale Achsenverhältnis lag bei (1:2.25), bei größeren Achsenverhältnisen wird die weniger dichte Substanz im Zentrum des Pellets so ungleichmäßig komprimiert, das es vorzeitig zu einer Vermischung des Treibers im Pelletzentrum mit dem Pelletmantel kommt, so daß der Treiber nicht ausreichend komprimiert wird. Die theoretische Untersuchung, welchen Einfluss das Strahlprofil auf die Targetkompression hat ist von großer Bedeutung, weil der Transport und die Fokussierung von Schwerionenstrahlung so hoher Intensität, wie sie für eine Targetkompression mit Fusionsbrennen nötig sind, sehr schwierig und noch nicht Stand der Technik ist. Sollte durch andere Arbeiten bestätigt werden, daß bei direkter Bestrahlung eines Hohltargets, bzw. eines Targets mit einem Mantel aus relativ dichtem Material und einem weniger dichten Treiber im Targetzentrum, mit einem Schwerionen-Hohl-Strahl, das Maximum der Druckwelle das Zentrum nicht erreicht, und somit ein Ring bzw. eine Hohlkugel maximalen Drucks um das Zentrum herum gebildet wird, hätte das, falls diese Technik zur Anwengung kommt, Konsequenzen für die Kompressionsdynamik eines realen Pellets. Möglicherweise wird nach der Zündung des Plasmas ein größerer Teil des Treibstoffs schneller verbrannt werden als bei einer Zündung im Pelletzentrum, außerdem könnte sich die Lebensdauer des Pellets erhöhen. Dies hätte für den Fall der direkten Bestrahlung eines Hohltargets mit einem Schwerionen-Hohl-Strahl eine Änderung des rho-R-Kriterium zur Folge, das Pellet müsste nicht so stark komprimiert werden wie bisher vermutet, so daß die technischen Voraussetzungen für ein Fusionsbrennen vieleicht schneller realisiert werden können, als bisher angenommen.
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Internationale Fachliteratur : aus den Jahren ; Internationales Zentrum für Bibliothekare und Dokumentare
(2003)
- Einzelaufnahmen für jedes Jahr, Suche mit "Fachbuchausstellung Information, Kommunikation" im Titel.
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Jahresbericht / Institut für Angewandte Physik
(2003)
