title: X-ray phase-contrast imaging of laser-driven shock waves with a two-grating interferometer
title: Röntgen-Phasenkontrastbildgebung von laser-induzierten Schockwellen mit einem Zweigitterinterferometer
Creators: name: Schreiner, Stephan
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: X-ray imaging
subject: Phase-Contrast imaging
subject: X-ray Dark-Field
subject: Plasma imaging
subject: Laboratory Astrophysics
subject: Grating-based phase-contrast imaging

description: Supernova-Explosionen, die Ausbreitung ihrer Überreste und die Wechselwirkung mit dem interstellaren Medium sind von der Erde aus schwer zu beobachten. Moderne, kurzgepulste Hochleistungslaseranlagen ermöglichen jedoch Experimente, die eine vergleichbare Dynamik zu den im Weltraum stattfindenden Prozessen aufweisen. Die für die Laborastrophysik relevanten Phänomene haben eine räumliche Ausdehnung im Millimeterbereich, geringe Dichteunterschiede und bewegen sich mit mehreren Kilometern pro Sekunde. Dies zu beobachten stellt hohe Anforderungen an die Instrumentierung solcher Experimente. Im Vergleich zur konventionellen Röntgenbildgebung, die nur die Absorption von Röntgenstrahlung in Materie berücksichtigt, ist die Phasenkontrastbildgebung zusätzlich sensitiv gegenüber Phasenverschiebungen, die durch Objekte induziert werden. Dies verspricht eine höhere Sensitivität auf geringe Dichteunterschiede, wie sie in der Laborastrophysik auftreten können. Die Dissertation behandelt die Optimierung und Implementierung eines bildgebenden, gitterbasierten Röntgen-Phasenkontrastaufbaus an lasergetriebenen Röntgenquellen für die Laborastrophysik. Hierbei wurde das bildgebende System numerisch simuliert und hinsichtlich seiner Sensitivität auf den induzierten Phasenschub optimiert. Durch die Entwicklung eines Schutzes für den JUNGFRAU-Detektor, einem digitalen Silizium-Halbleiterdetektor, gegenüber elektromagnetischen Impulsen konnte dieser erstmals an einer solchen Laseranlage eingesetzt werden. Der optimierte Aufbau kam sowohl am PHELIX- als auch am LULI-Laser zum Einsatz. Die dort generierten Daten wurden zusammen mit hydrodynamischen Simulationen genutzt, um die Eignung des gitterbasierten Phasenkontrasts für die Laborastrophysik an laser-getriebenen Röntgenquellen zu bewerten.
description: Supernova explosions, the expansion of their remnants, and the interaction with the interstellar medium are challenging to observe from Earth. However, modern, short-pulsed high-power laser systems enable experiments that exhibit dynamics comparable to those present in space. The phenomena relevant to laboratory astrophysics have spatial extent on the order of millimeters, small density variations, and velocities of several kilometers per second. Observing these processes poses requirements on the setup used in such experiments. Compared to conventional X-ray imaging, which only accounts for the absorption of X-rays in matter, phase-contrast imaging is additionally sensitive to phase shifts induced by objects. This promises higher sensitivity to small density variations. Hence, phase-contrast imaging is a promising diagnostic tool for laboratory astrophysics. The dissertation addresses the optimization and implementation of a Grating-based X-ray phase-contrast imaging setup for laser-driven X-ray sources in laboratory astrophysics. The imaging system was numerically simulated and optimized for its sensitivity to induced phase shifts. To enable the use of the digital JUNGFRAU detector - a direct detecting silicon semiconductor detector - at such laser facilities, a protection mechanism against electromagnetic pulses was developed. This allowed the detector to be used for the first time in this context. The optimized setup was employed at both the PHELIX and LULI lasers. Data generated at these facilities, combined with hydrodynamic simulations, were used to evaluate the performance of grating-based phase-contrast imaging for laboratory astrophysics at laser-driven X-ray backlighter.