Die Untersuchung von Materie bei hoher Energiedichte (HEDM) im Labor stellt hohe Anforderungen an die Diagnostik, da diese Zustände meist nur für kurze Zeit erzeugt werden können und herkömmliche Diagnostikmethoden mit sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlung aufgrund
der hohen Dichte an ihre Grenzen kommen.
Die in den 1990er Jahren am Los Alamos National Laboratory entwickelte Technik der Hochenergie–Protonenradiographie stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, diese Beschränkungen zu überwinden und die Dichte von HEDM mit hoher Zeit– und Ortsauflösung zu messen.
Zu diesem Zweck wurde an der GSI das Protonenmikroskop PRIOR (Proton Radiography for FAIR) gebaut, das Proben nicht nur abbildet, sondern um einen Faktor 4.2 vergrößern kann und dabei Materie mit einer Flächendichte bis zu 20 g/cm2 durchdringen kann. Dabei wurde auf Anhieb eine Ortsauflösung von unter 30 µm und eine Zeitauflösung im Nanosekundenbereich erreicht.
Diese Arbeit beschreibt Details zu Funktionsweise, Design und Aufbau des Protonenmikroskops, sowie erste Messungen und Simulationen zu essentiellen Komponenten wie Magnetlinsen, Kollimator und Szintillationsschirm. Für letzteren konnte gezeigt werden, dass der Einsatz geeigneter Plastikszintillatoren als Konverter eine Alternative zu den langsameren, aber strahlungsresistenteren Kristallszintillatoren ist, so dass sich eine Zeitauflösung im Bereich von 10 ns erreichen lässt.
Desweiteren wurde eine genaue Charakterisierung der Eigenschaften des Systems vorgenommen, wie sie bei den ersten Experimenten im April 2014 gemessen wurden. Auch die Änderungen der Magnetfelder durch Strahlungsschäden wurde untersucht.
Es wird außerdem einen Überblick über weiterführende Anwendungsmöglichkeiten gegeben. So wurden bereits erste Experimente an wamer dichter Materie durchgeführt, die mit einem Pulsed Power–Setup erzeugt wurde. Darüber hinaus wurden vielversprechende medizinische Anwendungen bei der Kombination von Protonenradiographie mit Strahlentherapie im Rahmen des PaNTERA–Projekts untersucht. Außerdem wird ein Ausblick auf die Möglichkeiten bei zukünftigen Experimenten an der neuen Beschleunigeranlage FAIR gegeben, wo dank höherer Strahlintensität und –energie noch bessere Ergebnisse zu erwarten sind. Insbesondere wurde der Frage nachgegangen, inwieweit Experimente mit LAPLAS–artige Targets (Laboratory for Planetary Science) mit Protonenradiographie untersucht werden können. Aus diesen lassen sich mit PRIOR wichtige Erkenntnisse über die Zustandsgleichungen von Materie treffen, wie sie in
großen Gasplaneten vorkommt
