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[Nachruf] Heinrich Rohrer
(2013)
In der vorliegenden Arbeit wurden Messungen zur Plasmadynamik eines Lorentz-Drift- Beschleunigers (LDB) durchgeführt. Dieser basiert auf einer koaxialen Elektrodengeometrie. Bei einem Überschlag führt der entstehende Stromfluss zu einemMagnetfeld, sodass die gebildeten Ladungsträger durch die resultierende Lorentzkraft beschleunigt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Abhängigkeit von Durchbruchspannung und Druck dem charakteristischen Verlauf einer Paschenkurve folgt.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Versuchsaufbaus wurde in Konfigurationen mit und ohne Funkenstrecke untersucht. Mit Hilfe von diesem als Schalter fungierenden Spark-Gaps konnte bei Durchbruchspannungen gemessen werden, die oberhalb des Selbstdurchbruchs liegen.
Es zeigte sich, dass die im Versuchaufbau verwendete Funkenstrecke keinen wesentlichen Einfluss auf die Entladung hat. Es kommt an der Funkenstrecke lediglich zu einem Spannungsabfall im Bereich einiger hundert Volt, der den Verlauf derEntladung im LDB allerdings nicht beeinflusst.
Der Lorentz-Drift-Beschleuniger könnte in Zukunft zur Erzeugung eines Druckgradienten verwendet werden, indem Teilchen von einem Rezipienten in einen Zweiten beschleunigt werden. Als Voruntersuchung zur Eingnung dieses als Lorentz-Drift-Ventil bezeichneten Konzeptes wurden Messungen durchgeführt, die den Einfluss der Durchbruchspannung auf die Teilchenbeschleunigung mit Hilfe eines piezokeramischen Elementes untersuchen. So wurde der magnetische Druck bzw. die entsprechende Kraft einer Entladungswolke in Abhängigkeit von Durchbruchspannungen bis etwa 9,5 kV untersucht. Es hat sich gezeigt, dass der Einsatz von hohen Spannungen sinnvoll ist, da sich die auf das Piezoelement einwirkende Kraft quadratisch zur Durchbruchspannung verhält. So wurde die maximale Kraft von 0,44N bei einer Zündspannung von 9,52 kV gemessen.
Zudem wurde untersucht, in welchem Druckbereich der Einfluss der Druckwelle zu messen und wie sich die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Druckwelle bei verschiedenen Durchbruchspannungen verhält. Bei einer Entfernung von 231mm zwischen Elektrodengeometrie und Piezoelement hat sich gezeigt, dass im Druckbereich unterhalb von etwa 0,2mbar kein wesentlicher Einfluss des Gasdruckes auf die Piezospannung erkennbar ist. Dies lässt sich durch die geringe Teilchenanzahl im Arbeitsgas begründen, sodass Teilchenstöße vernachlässigt werden können. Die maximale gemessene Geschwindigkeit der durch die Entladung verursachten Druckwelle liegt bei 55 km s ± 10%.
Die gemessene Plasmadynamik lässt darauf schließen, dass das Konzept eines gepulsten Lorentz-Drift-Ventils insbesondere mit hohen Durchbruchspannungen realisierbar ist. Zur Erzeugung eines dauerhaften Druckgradienten müsste die Repetitionsrate allerdings ausreichend hoch sein, sodass der rückfließende Gasdurchsatz geringer ist als die durch den LDB erzeugte Drift. Geht man von der Schallgeschwindigkeit als Rückflussgeschwindigkeit der Teilchen aus, so sind mindestens Repetitionszeiten im Bereich einer Millisekunde erforderlich.
Ergänzend zu den durchgeführten Untersuchungen ist es sinnvoll, die bisherigen Messungen durch Einbau eines Triggers zu verifizieren. Ein Trigger erzeugt eine Vorentladung mit deren Hilfe die eigentliche Entladung auch im Bereich unterhalb des Selbstdurchbruchs gezündet werden kann.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Auslegung des Kickers für den Bunch-Kompressor des FRANZ-Projektes. Anhand eines Modells wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Einkopplung sowie das Feld zwischen den Kondensatorplatten bereits untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird der Kicker mit Hilfe des Programms CST Microwave Studio erstellt und optimiert, sodass er nach Abschluss der Untersuchungen in die Fertigung gehen kann. Dabei ist der erste Schwerpunkt der Untersuchungen die Auslegung und Optimierung der Kondensatorplatten, die für die Auslenkung der Mikro-Bunche im FRANZ-Projekt verantwortlich sind. Zu Beginn der Masterarbeit gab es gezielte Winkelverteilungen, die der Kicker im Rahmen des FRANZ-Projektes erreichen sollte. Nachdem ein Erreichen dieser Werte nur bedingt möglich war, wurden verschiedene Abschnitte des FRANZ-Projektes neu überdacht und die Anforderungen an den Kicker änderten sich dadurch grundlegend. Aus diesem Grund wurde der Kicker zu Beginn der Arbeit für eine Frequenz von 5 MHz ausgelegt, wohingegen er im Rahmen der neuen Anforderungen für eine Resonanzfrequenz von 2,57 MHz ausgelegt wurde. Die Untersuchung der optimalen Resonanzfrequenz für die Anforderungen des Kickers stellt den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit dar.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des 4π-Bariumfluorid(BaF2)-Detektors, der in Zukunft im Rahmen des FRANZ-Projektes (Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum) eingesetzt werden soll. Der Detektor soll zum Nachweis von γ-Emission zum Beispiel nach einem Neutroneneinfang genutzt werden, womit der (n,γ)-Wirkungsquerschnitt bestimmt werden kann. Hauptaufgabe dieser Arbeit ist die Bestimmung der Energie- und Zeitauflösung, sowie die Energie- und Zeitkalibrierung und die Effizienzbestimmung.
Als es in den 1920er und 1930er Jahren zur Entdeckung des expandierenden Raums, gemessen über die kosmologische Rotverschiebung, kommt, wird daraus erstmals die Idee eines kleinsten Ursprungspunkts zu Beginn der Zeit postuliert. Es dauerte jedoch weitere 30 Jahre, bis das Konzept des „Big Bang“ als Ursprungsmodell veröffentlicht wurde [Lum07]. Seitdem untersuchen Wissenschaftler fortschreitend die Theorie des Big Bang. Der Zustand der Materie zum Zeitpunkt Null ist nach wie vor ungeklärt, ab ca. 10 exp (-44) Sekunden nach dem Urknall wird in der Theorie des Big Bang davon ausgegangen, dass sich die Materie im Zustand des Quark-Gluon-Plasmas befand. Zunächst galt es eine experimentelle Bestätigung für die generelle Existenz eines solchen Zustands zu finden. Die experimentelle Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma im Labor begann vor fast 30 Jahren am Bevalac in Berkley [Gus84], dort konnte bei Niobium-Kollisionen kollektiver Fluss beobachtet werden. Zehn Jahre später begannen die Messungen des Schwerionen-Forschungsprogramms am CERN1. Im Jahr 1994 wurden dort die ersten Schwerionenkollisionen durchgeführt, von denen man sich erhoffte, dass sie zu einer kurzzeitigen Erzeugung des Quark-Gluon-Plasmas führen. Im Jahr 2000 gab es dann eine zusammenfassende Pressemitteilung des CERN, in der die Messungen eines neuartigen Materiezustands beschrieben wurden [CER00]. Weitere fünf Jahre später wurde ein Bericht der bis dahin erreichten Ergebnisse der vier Quark-Gluon-Plasma Experimente am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Labratory veröffentlicht [BNL05]. Dabei konnten einige Ergebnisse aus den Messungen am CERN bestätigt werden, andere hingegen nicht. Die Annahme, das Quark-Gluon-Plasma verhalte sich wie ein Gas, musste beispielsweise nach den Messungen am RHIC verworfen werden. Diese zeigen, dass das Verhalten des Quark-Gluon-Plasma eher dem von Flüssigkeiten ähnelt [BNL05].
Seit den ersten Schritten zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasma am CERN, in denen vor allem die Messung der Existenz des Quark-Gluon-Plasmas an sich im Vordergrund stand, soll der Phasenübergang nun quantitativ untersucht werden. Dazu werden Dichte und Temperatur der betrachteten Materie variiert und die vorhandene Zustandsphase gemessen. Eines dieser Experimente soll das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment werden. Das Ziel des Experiments ist die Untersuchung von Materie bei sehr hohen Dichten, aber im Vergleich zu anderen aktuellen Experimenten relativ niedrigen Temperaturen. Im Jahr 2009 wurde der erste Spatenstich auf dem Gelände der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt für den Bau der Facility for Antiproton and Proton Research (FAIR) getätigt. Mit Hilfe der FAIR-Beschleuniger soll dann das CBM Experiment das Quark-Gluon-Plasma bei hohen Materiedichten mit bisher nicht erreichter Statistik untersuchen können. Jedoch gerade das Erreichen solch hoher Ereignisraten stellt nicht nur eine zentrale Herausforderung an die Beschleuniger dar, sondern auch an die messenden Detektoren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Transition Radiation Detektors für das CBM Experiment.
Nach einer kurzen Einführung in die generelle Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas folgt die Beschreibung des geplanten Aufbaus des CBM Experiments mit dessen Subsystemen. Danach wird die theoretische und praktische Funktionsweise eines Transition-Radiation Detektors (TRD) erklärt, um darauf aufbauend die Charakterisierung und Signalanalyse der entwickelten TRD-Prototypen darzustellen. Abschließend werden die Ergebnisse in Bezug auf den für das CBM Experiment zu entwickelnden Detektor diskutiert.
Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind elektrische, stationäre und zeitaufgelöste Transportmessungen an EuB6 sowie die Weiterentwicklung von Messmethoden und Analyseverfahren der Fluktuationsspektroskopie. Durch die Verwendung von
modernen Computern und Datenerfassungskarten konnten die Messmethoden effektiver eingesetzt werden.
Die ersten beiden Kapitel stellen die Grundlagen dar, die für diese Arbeit von Bedeutung sind. Der erste Teil dieser Arbeit wurde der Weiterentwicklung der bereits bekannten Messmethoden unter Verwendung einer schnellen Datenerfassungskarte gewidmet. Im Gegensatz zur Verwendung eines Signalanalysators bietet die Karte die Möglichkeit, auf die Rohdaten im Zeitraum zuzugreifen und sie anschließend mit einer selbst programmierten Software auszuwerten. Die technischen Methoden und der Aufbau der Software wurden in den Kapiteln 3 und 4 vorgestellt. Durch das Ersetzen des Signalanalysators kann bis zu 50% der Messzeit eingespart werden.
Durch die Code-Erweiterung kann bereits nach zwei hintereinander gemessenen Spektren vorläufig bei tiefen Frequenzen ausgewertet und somit frühzeitig entschieden werden, ob eine längere Messzeit aussichtsreich ist. Außerdem wird durch Verwendung der Code-Erweiterung eine sehr viel höhere Spektrendichte (Anzahl von Messpunkten) erreicht. Da im Gegensatz zum Signalanalysator alle gemessenen Spektren gespeichert werden, können in jeder Messung die Spektren auf ihre Korrelation (Korrelationskoeffizient und Zweites Spektrum) hin untersucht werden, ohne zusätzliche Messzeit zu benötigen.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den elektrischen Transporteigenschaften von EuB6 und dem Verständnis der Kopplung zwischen Ladungs- und magnetischen Freiheitsgraden. Mittels Widerstands- und nichtlinearer Transportmessungen sowie Fluktuationsspektroskopie wurden Hypothesen von anderen Wissenschaftlern systematisch verifiziert, sowie neue, weiterführende Erkenntnisse gewonnen.
Direkte experimentelle Hinweise für die Phasenseparation sowie das Auftreten von Perkolation aus Transportmessungen fehlten bisher. In dieser Arbeit wurden daher systematisch die elektrischen Transportseigenschaften des Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Magnetfeld untersucht. Mittels Fluktuationsspektroskopie konnte erstmals ein direkter Hinweis auf perkolatives Verhalten in den Transporteigenschaften beobachtet werden. Ein starkes nichtlineares Transportsignal (dritter harmonischer Widerstand, DHW) im Bereich von TMI und TC ist eine Signatur einer räumlich inhomogenen Stromverteilung auf der Mikroskala und ein weiterer deutlicher Hinweis auf magnetisch induzierte elektronische Phasenseparation. Insbesondere tritt nichtlinearer Transport bei H = 0 im FM Bereich auf und kann im PM-Bereich bei T > TMI durch externe Magnetfelder induziert werden.
Das CBM-Experiment an der Forschungseinrichtung FAIR in Darmstadt wird in Zukunft das Phasendiagramm der QCD im Bereich von niedrigen bis moderaten Temperaturen und hohen Baryondichten untersuchen und dabei mit hadronischen und elektromagnetischen Sonden eine Vielzahl an Observablen messen. Um Elektronen und Positronen von geladenen Pionen effizient zu unterscheiden werden mehrere Lagen von Übergangsstrahlungsdetektoren auf Basis von Vieldrahtproportionalkammern verwendet. Bei den hohen Reaktionsraten des CBM-Experiments von bis zu 10MHz am target sind schnelle Detektoren notwendig um die vielen Teilchen mit einer hohen zeitlichen Auflösung nachzuweisen. Aus diesem Grund werden am IKF der Goethe-Universität dünne MWPCs ohne zusätzliche Driftregion entwickelt, für die ein Eintrittsfenster aus dünner Mylarfolie mit einer kleinen Absorptionswahrscheinlichkeit der TR-Photonen in Betracht gezogen wird. Bei großen Detektoren beult sich ein dünnes Folienfenster bereits bei Druckunterschieden von einigen Mikrobar aus, was eine Variation der Gasverstärkung zur Folge hat.
Mit Garfield-Simulationen wurde die relative Änderung der Gasverstärkung in Abhängigkeit der Ausbeulung des Eintrittsfensters für Detektoren der Größe 4+4 mm, 5+5mm und 6+6mm mit den Gasgemischen Xe(80%)/CO2(20%) und Xe(90%)/CO2(10%) bestimmt. Um eine Gain-Stabilität von Δ,G = +/- 10% zu gewährleisten, beträgt die maximale Ausbeulung des Folienfensters durchschnittlich 120 μm +/- 5 μm bei der 4+4mm Kammer, 137 μm +/- 5 μm bei der 5+5mm Kammer und 154 μm +/- 6 μm bei der 6+6mm Kammer unabhängig vom Gasgemisch. Diese Ergebnisse stellen eine große Herausforderung für die Detektorentwicklung und -konstruktion dar. Eine Möglichkeit die Ausbeulung des Folienfensters zu minimieren ist ein geeigneter Aufbau, der die Folie verstärkt. Eine weitere Herangehensweise ist die Entwicklung einer Korrekturmethode, die die Gasverstärkung bzw. die gemessenen Signale abhängig von verschiedenen Drücken, Druckunterschieden und der damit verbundenen Ausbeulung des Eintrittsfensters korrigiert, wodurch die Signale reproduzierbar und vergleichbar werden.
Weiterhin wurden die Elektron-Driftzeiten für die drei Kammergeometrien simuliert um eine Aussage über die Zeitauflösung des Detektors zu machen. Die Driftzeiten unter Verwendung eines Xe(90%)/CO2(10%) Gasgemischs sind dabei grundsätzlich größer als mit Xe(80%)/CO2(20%) und führen zu Zeitauflösungen von Δt ~ 40 ns bzw. Δt ~ 30 ns. Die maximalen Driftzeiten am äußeren Rand der Detektoren sind für alle Detektorgeometrien mit beiden Gasgemischen sehr klein im Vergleich zu den erwarteten durchschnittlichen Teilchenraten. Daraus folgt, dass die Zeitauflösung der untersuchten Detektoren die Erwartungen mit Hinblick auf die Reaktionsraten des CBM-Experiments erfüllt.