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David Haider

• In the field of today’s beam intensity diagnostic there is a significant gap in the non-interceptive, calibrated measurement of the absolute intensity of continuous (unbunched) dc beams with current amplitudes below 1 μA. At the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) low-intensity DC beams will occur during slow extraction from the synchrotrons as well as for coasting beams of highly-charged or exotic nuclei in the storage rings. The lack of adequate beam instrumentation limits the experimental program as well as the accuracy of experimental results. The Cryogenic Current Comparator (CCC) can close the diagnostic gap with a high-precision dc current reading independent of ion-species and of beam parameters. However, the established detector design based on a core with high magnetic permeability and on a radial shield geometry has well-known weaknesses concerning magnetic shielding efficiency and intrinsic current noise. To eliminate these weaknesses, a novel coreless CCC with a co-axial shield was constructed and combined with a high-performance SQUID contributed by the Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz-IPHT Jena). The new axial CCC model was compared to a radial CCC with the established design provided by the Friedrich-Schiller-University Jena. According to numerical simulations prepared at TU Darmstadt and test measurements of the detectors in the laboratory, the new design offered a significant improvement of the shielding factor – from 75dB to 207dB at the required dimensions – and eliminated all noise contributions from the core material, promising an improved current resolution. Although the lower inductance of the pickup coil reduced the coupling to the beam significantly, the noise properties of the new CCC type were comparable to the classical version with a high-permeability core. However, the expected decrease of the low-frequency noise and thus an increase of the current resolution could not be observed at this stage of development. Consequently, the classical CCC based on the radial shielding and high-permeability core had to be installed in CRYRING@ESR to provide best possible intensity measurements for the upcoming experimental campaign. In CRYRING the CCC was operated with beam currents between 1nA and 20μA and with different ion species (H, Ne, O, Pb, U). It was shown that the CCC provides a noise-limited current resolution of better than 3.2 nArms at a bandwidth of 200 kHz as well as a noise level below 40 pA/√Hz above 1 kHz. During the operation, the main noise sources of the accelerator environment had to be identified and suitable mitigation strategies were developed. Temperature and pressure fluctuations were suppressed with a newly-designed cryogenic support system based on a 70 l helium bath cryostat, developed and built in collaboration with the Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, in combination with a helium re-liquefier. The cryogenic operating time was restricted to around 7 days, which must be expanded significantly in the future. Digital filters were developed to remove the perturbations of the helium liquefier and of the neighboring dipole magnets. Given the promising results the CCC system can be considered as a prototype for future CCCs at FAIR.
• Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) ist das Zukunftsprojekt und die Erweiterung der bestehenden Beschleunigeranlage der GSI, dem Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Für das experimentelle Programm bei FAIR kommen Teilchenströme unterschiedlicher Ionenspezies und Zeitstruktur zur Anwendung. Neben kurz gepulsten, schnell aus den Synchrotronen extrahierten Strahlen hoher Intensität spielen für zahlreiche Experimente (mit kontinuierlicher Detektion am Target) langsam extrahierte Strahlen mit der damit einhergehenden niedrigen Intensität eine wichtige Rolle. Ebenso liegen im Bereich der hochgeladenen und exotischen Ionen in den Speicherringen kontinuierliche Strahlen niedriger Intensität vor. Eine genaue Kenntnis der Strahlintensität ist von elementarer Wichtigkeit für die Bestimmung von Reaktionsraten und Wirkungsquerschnitten. Unter einer Schwelle von rund 1 μA stößt die heute verfügbare Strahldiagnose bei der zerstörungsfreien, kalibrierten Messung der absoluten Strahlintensität an ihre Grenzen. Der Einsatz eines kryogenen Stromkomparators (Cryogenic Current Comparator – CCC) verspricht hier eine signifikante Verbesserung der Messgenauigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein CCC Intensitätsmonitor am Schwerionen-Speicherring CRYRING@ESR bei FAIR installiert und bei kleinen Strömen (1 nA – 20 μA) für eine Vielzahl von Ionensorten (H, Ne, O, Pb, U) mit gängigen Strahldiagnose-Instrumenten verglichen. Mit einer rauschlimitierten Auflösung von 3,2 nArms bei einer Bandbreite von 200 kHz konnte der CCC in vielen Anwendungsfällen die verfügbare Messgenauigkeit um drei Größenordnungen ver- bessern. Dabei lag das Rauschniveau des CCCs bei Frequenzen über 1 kHz unter einer Schwelle von 40 pA/√Hz. Für die Anwendung am CRYRING@ESR stellte die Friedrich-Schiller-Universität Jena einen radialen CCC zur Verfügung. Die Stromauflösung dieses etablierte Detektor-Designs mit einem radial aufgebauten magnetischen Schirm und einem magnetisch hochpermeablen Kern ist jedoch durch externe Störeinflüsse und durch das niederfrequente Stromrauschen des Kerns beschränkt. Daher wurde ein neuartiger kernloser CCC-Prototyp mit einer ko-axialen Schirmgeometrie konstruiert und mit einem hochpräzisen SQUID des Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT Jena) verbunden. Es konnte sowohl anhand von Simulationen der TU Darmstadt als auch bei der Vermessung im Labor gezeigt werden, dass für die geforderten Dimensionen die neue Geometrie den Abschirmfaktor von 75 dB auf 207 dB steigert. Obwohl die Induktivität der Messspule und somit die Kopplung zum Ionenstrahl durch den fehlenden Kern stark reduziert ist, wurde ein ebenso niedriges effektives Rauschniveau erreicht. Der erwartete Rückgang des niederfrequenten Rauschens und die damit einhergehende höhere effektive Stromauflösung konnten bisher jedoch nicht bestätigt werden. Aufgrund der geringfügig besseren Messgenauigkeit im Labor wurde schließlich der etablierte CCC mit Kern und klassischer radialer Schirmgeometrie für die Messungen am CRYRING@ESR eingesetzt. Beim Betrieb des CCCs am CRYRING@ESR sorgte eine neue kryogene Messplattform für eine stabile Messumgebung. Diese basierte auf einem 70 l Heliumbad-Kyrostat, der vom Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden nach den Vorgaben von GSI gebaut wurde und mit einem lokalen Helium-Verflüssiger verbunden war. Verbliebene Störeinflüsse durch den Helium-Verflüssiger und durch den benachbarten Dipol-Magnet wurden durch digitale Filterroutinen beseitigt. Nach der erfolgreichen Messkampagne steht das Detektor-System nun als Grundlage für den nächsten Schritt zur Serienproduktion des CCC bei FAIR zur Verfügung.