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Şêro Jakob Zähter

• This Dissertation deals with the development of FAIR-relevant X-ray diagnostics based on the interaction of lasers and particle beams with matter. The associated experimental methods are supposed to be employed in the HIHEX-experiments in the HHT-cave of the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH (GSI) in Phase-0 and in the APPA-cave at the Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Germany. Diagnostic of high aerial density targets that will be used in FAIR experiments demands intense and highly penetrating X-ray sources. Laser generated well-directe relativistic electron beams that interact with high Z materials is an excellent tool for generation of short-pulse high luminous sources of MeV-gammas. In pilot experiments carried out at the PHELIX laser system, GSI Darmstadt, relativistic electrons were produced in a long scale plasma of near critical electron density (NCD) by the mechanism of the direct laser acceleration (DLA). Low density polymer foam layers preionised by a well-defined nanosecond laser pulse were used as NCD targets. The analysis of the measured electron spectra showed up to 10- fold increase of the electron "temperature" from T_Hot = 1–2 MeV, measured for the case of the interaction of 1–2 ×10^19 Wcm^(−2) ps-laser pulse with a planar foil, up to 14 MeV for the case when the relativistic laser pulse propagates through the by a ns-pulse preionised foam layer. In this case, up to 80–90 MeV electron energy was registered. An increase of the electron energy was accompanied by a strong increase of the number of relativistic electrons and well-defined directionality of the relativistic electron beam measured to be (12 ±1)° (FWHM). This directionality increases the gamma flux on target by far compared to the soft X-ray sources. Additionally to laser based active diagnostics, passive techniques involving inherent X-ray fluorescence radiation of projectile and target emitted during heavy-ion target interaction can be used to measure the ion beam distribution on shot. This information is of great importance, since the target size is chosen to be smaller than the beam focus in order to ensure homogeneous heating of the HIHEX-target by the ion beam. High amounts of parasitic radiation and activation of experimental equipment is expected for experiments at the APPA-cave. For this reason, all electronic devices must be placed at a safe distance to the target chamber. In order to transport the signal over a large distance, the X-ray image of the target irradiated by heavy-ions has to be converted into an optical one. For these purposes, the X-ray Conversion to Optical radiation and Transport (XCOT)-system was developed in the frame of a BMBF-project and commissioned in two beamtimes at the UNILAC, GSI during this work. In experiments, we observed intense radiation of target atoms (K-shell transitions in Cu at 8–8.3 keV and L-shell transition in Ta) ionised in collisions with heavy ions as well as Doppler-shifted L-shell transitions of Au-projectiles passing through targets. This radiation can be used for monochromatic (dispersive elements like bent crystals) or polychromatic (pinhole) 2D X-ray mapping of the ion beam intensity distribution in the interaction region during the beam-target interaction. We measured the efficiency of the X-ray photon production depending on the target thickness and the number of ions passing through the target. The spatial resolution of the XCOT-system based on the multi-pinhole camera was measured to be (91±17) μm for the image magnification factor M = 2. It was considerably improved by application of a toroidally bent quartz crystal and reached 30 μm at M = 6. This resolution is optimal to image the distribution of a 1mm in diameter ion beam. As next step, the XCOT-system will be tested during the SIS18 beam-time at the HHT-experimental area.
• Diese Dissertation handelt von der Entwicklung FAIR-relevanter Röntgendiagnostiken basierend auf derWechselwirkung von Lasern und Teilchenstrahlen mit Materie. Die damit im Zusammenhang stehenden experimentellen Methoden sollen in den HIHEX-Experimenten im HHT-Cave des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH (GSI) in Phase-0 und im APPA-Cave an der Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Deutschland, zum Einsatz kommen. Die Diagnostik von Targets mit hoher Flächendichte, die in FAIR-Experimenten genutzt werden sollen, benötigt intensive und stark durchdringende Röntgenquellen. Lasererzeugte, stark gerichtete relativistische Elektronenstrahlen, welche mit hoch Z Materialien interagieren, sind ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Erzeugung von Kurzpuls, MeV-Gammaquellen mit hoher Leuchtkraft. In Pilotexperimenten, die am PHELIX-Lasersystem der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, sind relativistische Elektronen in großvolumigen Plasmen nahe der kritischen Dichte (NCD) durch den Mechanismus der direkten Laserbeschleunigung (DLA) erzeugt worden. Von einem wohldefinierten Nanosekunden Laserpuls vorionisierte Polymer-Schaumschichten von geringer Dichte wurden als NCD-Targets verwendet. Die Analyse der gemessenen Elektronenspektren zeigte eine 10-fache Erhöhung der "Elektronentemperatur" von T_Hot = 1–2 MeV, gemessen im Fall der Interaktion des 1–2×10^19 Wcm^(−2) ps-Laserpulses mit einer planaren Folie, bis zu 14 MeV für den Fall, dass der relativistische Laserpuls durch das vom ns-Pulse vorionisierte Schaumschicht propagiert. In diesem Fall wurde bis zu 80–90 MeV Elektronenenergie registriert. Eine Erhöhung der Elektronenenergie wurde von einer starken Erhöhung der Elektronenzahlen begleitet und die wohldefinierte Richtcharakteristik des relativistischen Elektronenstrahls wurde als (12±1)° (Halbwertsbreite) gemessen. Diese Richtungsabhängigkeit erhöht den Gamma-Fluss auf dem Target bei weitem im Vergleich zu weichen Röntgenquellen. Passive Techniken, welche Röntgenfluoreszenz Eigenstrahlung von Projektil- und Targetionen während ihrer Wechselwirkung involvieren, können zusätzlich zu laserbasierter aktiver Diagnostik verwendet werden, um die Ionenstrahlintensitätsverteilung während des Schusses zu messen. Diese Information ist von großer Bedeutung, da die Targetgröße kleiner als der Strahlfokus gewählt wird, um homogene Heizung des HIHEX-Targets durch den Ionenstrahl zu gewährleisten. Große Mengen an parasitärer Strahlung und Aktivierung von Experimentausrüstung wird für die Experimente im APPA-Cave erwartet. Aus diesem Grund müssen alle elektronischen Gerätschaften in sicherer Entfernung zur Targetkammer platziert werden. Um das Signal über große Wegstrecken zu transportieren, muss die Röntgenabbildung des Targets, welches von den Schwerionen bestrahlt wurde, in ein optisches verwandelt werden. Aus diesem Grund wurde das X-ray Conversion to Optical radiation and Transport (XCOT)-System während dieser Arbeit im Rahmen eines BMBF-Projekts entwickelt und in zwei Strahlzeiten am UNILAC, GSI in Betrieb genommen. In den Experimenten beobachteten wir intensive Strahlung von Atomen (K-Schalen Übergänge in Cu bei 8–8.3 keV und L-Schalen Übergänge in Ta) welche in collisionen mit Schwerionen ionisiert wurden, sowie Dopplerverschobene L-Schalen Übergänge von Au- Projektilen die Targets passierten. Diese Strahlung kann für monochromatische (dispersive Elemente wie gebogene Kristalle) oder polychromatische (Pinhole) 2D Röntgen-Kartierung der Ionenstrahlintensitätsverteilung in der Wechselwirkungszone während der Strahl-Target-Wechselwirkung genutzt werden. Wir haben die Effizienz der Röntgenphotonproduktion abhängig von der Targetdicke und der Anzahl der Ionen, welche das Target passierten, gemessen. Die Ortsauflösung des XCOT-Systems, basierend auf der Multipinhole-Kamera, wurde mit dem Vergrößerungsfaktor M = 2 als (91 ±17) μm gemessen. Sie wurde durch den Einsatz von toroidal gebogenen Quartzkristallen wesentlich verbessert und erreichte 30 μm bei M = 6. Diese Auflösung ist optimal, um die Verteilung eines Ionenstrahls vom Durchmesser 1mm zu messen. Als nächster Schritt wird das XCOT-System während einer SIS18 Strahlzeit am HHT-Experimentbereich getestet.