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Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionsmikroskop (REMI) nach dem Messprinzip COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectrometry) neu konstruiert und aufgebaut. Die Leistungsfähigkeit des Experimentaufbaus konnte sowohl in diversen Testreihen als auch anschließend unter realen Messbedingungen an der Synchrotronstrahlungsanlage SOLEIL und am endgültigen Bestimmungsort SQS-Instrument (Small Quantum Systems) des Freie-Elektronen-Lasers European XFEL (X-ray free-electron laser) eindrucksvoll unter Beweis gestellt werden.
Mit der Experimentiertechnik COLTRIMS ist es möglich, alle geladenen Fragmente einer Wechselwirkung eines Projektilteilchens mit einem Targetteilchen mittels zweier orts- und zeitauflösender Detektoren nachzuweisen. In einem Vakuumrezipienten wird die als Molekularstrahl präparierte Targetsubstanz inmitten der Hauptkammer zentral mit einem Projektilstrahl (z.B. des XFEL) zum Überlapp gebracht, sodass dort eine Wechselwirkung stattfinden kann. Bei den entstehenden Fragmenten handelt es sich um positiv geladene Ionen sowie negative geladene Elektronen. Elektrische Felder, erzeugt durch eine Spektrometer-Einheit, sowie durch Helmholtz-Spulen erzeugte magnetische Felder ermöglichen es, die geladenen Fragmente in Richtung der Detektoren zu lenken. Die Orts- und Zeitmessung eines einzelnen Teilchens (z.B. eines Ions) findet in Koinzidenz mit den anderen Teilchen (z.B. weiteren Ionen bzw. Elektronen) statt. Mit dieser Messmethode können die Impulsvektoren und Ladungszustände aller geladenen Fragmente in Koinzidenz gemessen werden. Da hierbei die geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten für die Leistungsfähigkeit des Experiments eine entscheidende Rolle spielt, mussten bei der Neukonstruktion des COLTRIMS-Apparates für den Einsatz an einem Freie-Elektronen-Laser (FEL) einige Rahmenbedingungen erfüllt werden. Besonders wurden die hohen Vakuumvoraussetzungen an den Experimentaufbau aufgrund der enormen Lichtintensität eines FEL beachtet. Das Zusammenspiel der vielen Einzelkomponenten konnte zunächst in mehreren Testreihen überprüft werden. Unter anderem durch Variation der Vakuumbauteile in Material und Beschaffenheit konnten die zuvor ermittelten Vorgaben schließlich erreicht werden. Das neu konstruierte Target-Präparationssystem zur Erzeugung molekularer Gasstrahlen erlaubt nun den Einsatz von bis zu vier unterschiedlich dimensionierten, differentiell gepumpten Stufen. Zudem wurden hochpräzise Piezo-Aktuatoren verbaut, welche die Bewegung von Blenden im Vakuum erlauben, wodurch eine variable Einstellung des lokalen Targetdrucks ermöglicht wird. Die Anpassung der elektrischen Felder des Spektrometers für ein jeweiliges Experiment wurde mittels Simulationen der Teilchentrajektorien, Teilchenflugzeiten sowie der Detektorauflösung durchgeführt.
Da die in dieser Arbeit besprochenen Messungen und Ergebnisse die Wechselwirkungsprozesse von Röntgenstrahlung bzw. Synchrotronstrahlung mit Materie thematisieren, wird die Erzeugung von Synchrotronstrahlung sowohl in Kreisbeschleunigern als auch in den modernen Freie-Elektronen-Lasern (FEL) erklärt und hergeleitet. Der im Röntgenbereich arbeitende Freie-Elektronen-Laser European XFEL, welcher u.A. als Strahlungsquelle für die hier gezeigten Experimente diente, ist eine von derzeit noch wenigen Anlagen ihrer Art weltweit. Seine Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich liegt bis zu acht Größenordnungen über den bisher verwendeten Anlagen für Synchrotronstrahlung.
Beim ersten Einsatz der neuen Apparatur an der Synchrotronstrahlungsanlage SOLEIL wurde der ultraschnelle Dissoziationsprozess von Chlormethan (CH3Cl) untersucht. Während des Zerfallsprozesses nach Anregung durch Röntgenstrahlung werden hochenergetische Auger-Elektronen emittiert, welche in Koinzidenz mit verschiedenen Molekülfragmenten nachgewiesen wurden. Durch den Zerfallsmechanismus der ultraschnellen Dissoziation wird die Auger-Elektronenemission nach resonanter Molekülanregung während der Dissoziation des Moleküls beschrieben. Die kinetische Energie des Auger-Elektrons ist dabei abhängig von seinem Emissionszeitpunkt. Somit können die gemessenen Auger-Elektronen ein „Standbild“ der zeitlichen Abfolge des Dissoziationsprozesses liefern.
Es wird eine detaillierte Beschreibung der Datenanalyse vorgenommen, welche aus Kalibrationsmessungen und einer Interpretation der Messdaten besteht. Die abschließende Betrachtung besteht in der Darstellung der Elektronenemissionswinkelverteilungen im molekülfesten Koordinatensystem. Die Winkelverteilung der Auger-Elektronen wird am Anfang der Dissoziation vom umgebenden Molekül- potential beeinflusst und zeigt deutliche Strukturen entlang der Bindungsachse. Entfernen sich die Bindungspartner voneinander und das Auger-Elektron wird währenddessen emittiert, so verschwinden diese Strukturen zunehmend und eine Vorzugsemissionsrichtung senkrecht zur Molekülachse wird sichtbar.
Die Analyse der Messdaten zur Untersuchung von Multiphotonen-Ionisation an Sauerstoff-Molekülen am Freie-Elektronen-Laser European XFEL ermöglichte unter anderem die Beobachtung „hohler Moleküle“, also Systemen mit Doppelinnerschalen- Vakanzen. Solche Zustände können vor allem durch die sequentielle Absorption zweier Photonen entstehen, wobei die hierbei nötige Photonendichte nur von FEL- Anlagen bereit gestellt werden kann. Hier konnte das Ziel erreicht werden, erstmalig die Emissionswinkelverteilungen der Photoelektronen von mehrfach ionisierten Sauerstoff-Molekülen (O+/O3+-Aufbruchskanal) als Folge der ablaufenden Mechanismen femtosekundengenau zu beobachten. Hierzu wurde ein vereinfachtes Schema der verschiedenen Zerfallsschritte erstellt und schließlich ermittelt, dass der Zerfall durch eine PAPA-Sequenz beschrieben werden kann. Bei dieser handelt es sich um die zweimalige Abfolge von Photoionisation und Auger-Zerfall. Somit werden vier positive Ladungen im Molekül erzeugt. Das zweite Photon des XFEL wird dabei während der Dissoziation der sich Coulomb-abstoßenden Fragmente absorbiert, weshalb es sich um einen zweistufigen Prozess aus Anrege- und Abfrage- Schritt (Pump-Probe) handelt. Schlussendlich gelang zudem der Nachweis von Doppelinnerschalen-Vakanzen im Sauerstoff-Molekül nach Selektion des O2+/O2+- Aufbruchkanals. Hierfür konnten die beiden Möglichkeiten einer zweiseitigen oder einseitigen Doppelinnerschalen-Vakanz getrennt betrachtet werden und ebenfalls erstmalig das Verhalten der Elektronenemission dieser beiden Zustände verglichen werden.
Cornelius Krellner, Physiker
(2020)
Für die vorliegende Arbeit wurden zur Analyse des Auger-Zerfalls kleiner Moleküle nach Photoionisation die aus der Zerfallsreaktion resultierenden Impuls- und Energiespektren von Photo- und Auger-Elektronen in Koinzidenz mit denen der ionischen Fragmente aufgenommen. Dies ermöglichte eine getrennte Betrachtung der während des Ionisationsschrittes und des Zerfallsschrittes dieses Prozesses besetzten Molekülzustände. Um weitere Einsicht in die Dynamik des Zerfalls zu erhalten, wurden vorhandene theoretische Modelle, welche insbesondere die Interaktion der durch die Reaktion produzierten geladenen Teilchen (Post Collision Interaction) einbeziehen, an die gemessenen Energiespektren angepasst. Dies ermöglichte die separate Betrachtung der im Ionisationsschritt besetzten Molekülzustände. So konnten die Emissionswinkelverteilungen der Photoelektronen im molekülfesten Koordinatensystem für jeden besetzten Anfangszustand einzeln betrachtet werden. Die Trennung der Endzustände des Zerfalls erfolgte über die Analyse des Spektrums der Ionen-Aufbruchsenergie (Kinetic Energy Release) und den Vergleich mit berechneten Potentialkurven der beitragenden Endzustände.
Durch die nach den Anfangszuständen separierte Betrachtung des Auger-Zerfalls wurde es auch möglich, die Auswirkungen dieser Zustände auf die Zerfallsdynamik zu analysieren. Dafür lieferte die Anpassung der Modellprofile die Lebensdauer des jeweiligen 1s-Lochzustandes in dem entsprechenden Zerfallskanal. Diese jeweiligen Lebensdauern eines jeden Zustandes wurden abhängig von verschiedenen Parametern mit einer Genauigkeit im Attosekunden-Bereich aus den Energiespektren der Photoelektronen ermittelt.
Die extrem hohen Interaktionsraten, die mit dem CBM Experiment verfügbar sein werden, erlauben die Messung von einigen der herausfordensten Observablen im Feld der Schwerionenphysik. Im besonderen die Messung von Dileptonen im mittleren Massenbereich ist nahezu unmöglich für eine Vielzahl anderer Experimente, da die extrem kleinen Wirkungsquerschnitte der Produktionskanäle das Auftreten eines messbaren Ereignisses so selten machen, so dass es nicht möglich ist eine ausreichende Anzahl dieser Ereignisse zu messen. Hinzu kommt, dass speziell im Energiebereich des CBM Experiments bisher absolut keine Messdaten verfügbar sind, obwohl es zahlreiche Hinweise von theoretischer Seite und von Messungen bei größeren Kollisionsenergien darauf gibt, dass wir im Energiebereich des CBM Experiments bedeutende Entdeckungen machen k¨onnten. Eine solche Messung dieser Observable könnte einen direkten Zugang zu Informationen bezüglich eines potentiellen Phasenubergangs von hadronischer Materie (bzw. im Hadronengas) in den Zustand eines Quark-Gluonen Plasmas liefern. Zusätzlich bieten Dileptonen noch die Möglichkeit Indikatoren für eine Wiederherstellung der chiralen Symmetrie zu messen...
Mit der COLTRIMS-Technik können immer kompliziertere Reaktionen untersucht werden, dabei steigt aber die Zahl der zu detektierenden Reaktionsfragmente. Der Nachweis von Ionen ist üblicherweise gut möglich, da die entsprechenden Flugzeiten groß sind im Vergleich zur Totzeit der benutzten Detektoren. Elektronen hingegen sind sehr leicht und erreichen den Detektor innerhalb von wenigen 10 ns. Aktuelle Detektoren erlauben aber nur den Nachweis weniger Elektronen und es werden somit neue Detektoren benötigt, um alle Teilchen nachzuweisen. Ziel dieser Arbeit war es also, einen Detektor zu entwickeln, der dies erreicht.
Zu Beginn dieser Monografie wird die COLTRIMS-Technik vorgestellt. Die Experimente mit dieser Messmethode finden hauptsächlich mit einer Laufzeitanode statt. Diese stößt aber bei dem Nachweis von mehreren Teilchen an ihre Grenzen und manche Experimente können nur unvollständig analysiert werden.
Damit ein neuer Detektor entwickelt werden kann, muss erst verstanden werden, wie die zu detektierenden Teilchen/Signale entstehen und wie ihre Eigenschaften sind. Aus diesem Grund wird das Sekundärteilchen-erzeugende MCP ausführlich vorgestellt.
Weiterhin gibt diese Arbeit einen umfassenden Überblick über bereits realisierte Anoden. Verschiedene Repräsentanten der fünf Anodenarten (Flächen-, Streifen-/Pixel-, Laufzeit-, Kamera-, sowie Halbleiter-Anode) werden vorgestellt und bewertet.
Mit diesem Wissen konnten drei Ansätze für neue Anoden entwickelt, designt, produziert, getestet und bewertet werden. Alle neu entwickelten Anoden benutzen Leiterplatinen als Basis und werden in derselben Vakuumkammer getestet. Auch wenn die Detektionsprinzipien der drei getesteten Detektoren unterschiedlich sind, so verläuft die Auskopplung, Verarbeitung und Digitalisierung der Signale nach dem gleichen Schema. Außerdem wurden im Rahmen dieser Arbeit diverse Algorithmen entwickelt und programmiert, mit deren Hilfe die Signalauswertung und Positionsbestimmung erfolgt.
Das dritte Kapitel beschreibt die neu entwickelte Draht-Harfen-Anode. Dieser Detektor besteht aus vielen kurzen Drähten die parallel auf Rahmen aus Leiterplatinen gespannt werden. Aus dieser Anode ließ sich im Rahmen dieser Arbeit aber kein funktionsfähiger Detektor entwickeln und es wird empfohlen, diesen Ansatz nicht weiterzuverfolgen.
Im Kapitel über die Pixel-Anode mit Streifenauslese wird ein Ansatz vorgestellt, bei dem die Elektronenwolke von einem Muster aus leitenden Rauten absorbiert wird. Es wurde ein funktionsfähiger Detektor mit MAMA-Verschaltung realisiert. Die aktive Fläche ist mit einem Durchmesser von 50 mm aber zu klein. Eine große Variante der Anode ist in der realisierten Form aber nicht als Detektor geeignet.
Als dritter neuer Detektor wird die Streifen-Laufzeit-Anode beschrieben. Diese besteht aus einem rechteckigen Muster von Pixeln, die in einer Richtung über eine Zeitverzögerung ausgelesen werden. Dieser Ansatz ist sehr vielversprechend und es ließen sich nicht nur einzelne Teilchen nachweisen, sondern auch beim Aufbruch eines D2+-Moleküls konnten beide Fragmente gemessen werden.
Das letzte Kapitel befasst sich mit weiteren Konzepten, die als Detektor realisiert werden könnten.
In dieser Arbeit wurde der spezifische Energieverlust im TOF Detektor genutzt, um leichte Kerne zu identifizieren. Da die gemeinsame Betrachtung aller Szintillatorstäbe bei der aktuellen Kalibrierung des TOF Detektors keine eindeutige Zuordnung ermöglicht, wurde der Energieverlust der einzelnen Stäbe individuell parametrisiert. So konnten Helium und sogar Lithium Kerne selektiert werden. Die Impulskorrektur hat für zweifach geladene Kerne, abgesehen von sehr hohen Impulsen, eine erfolgreiche Korrektur der Masse ermöglicht. Bei Lithium hingegen wurde der Impuls überkorrigiert, sodass die Masse zu niedrig rekonstruiert wurde.
Durch Optimierung der Impulskorrektur könnte zusammen mit einer verbesserten Kalibrierung des TOF Detektors ein sehr hohes Auflösungsvermögen erreicht werden. Daher sollte die systematische Impulskorrektur für hohe Impulse durch weitere Simulationen verbessert und der Energieverlust vor dem Auftreffen auf den META Detektor genauer untersucht werden. Optimalerweise würde zur Kalibrierung des TOF Detektors die Abhängigkeit des Energieverlustes vom Winkel, in welchem die Teilchen auf den Detektor treffen, berücksichtigt werden. Ziel ist es, alle Stäbe pro zurückgelegter Wegstrecke zu kalibrieren, sodass weder ein Unterschied durch den Einfallwinkel der Teilchen noch durch die verschiedenen Stablängen aufkommt. Folglich wäre eine sehr spezifische Teilchenselektion möglich.
Der 3D‐Druck von geometrisch komplexen Nanostrukturen ist auf dem Weg zu ersten Anwendungen. Die Auswahl an geeigneten Materialien ermöglicht metallische, halbleitende, isolierende, supraleitende und exotische magnetische Eigenschaften. Das 3D‐FEBID‐Verfahren schreibt mit dem Elektronenstrahl eines Raster‐Elektronenmikroskops wie mit einem Nanostift. Das Material wird als Gasstrom von Precursor‐Molekülen über eine Hohlnadel zugeführt. Der Elektronenstrahl ermöglicht die hochlokale Fragmentierung dieser Moleküle, die meist metallische Zielatome enthalten. Die lokale Verweildauer des Strahls steuert den Strukturaufbau in der Vertikalen, während seine seitliche Bewegung zu geneigten, freistehenden Strukturen führt. Eine Herausforderung ist die definierte Strahlsteuerung, um ein CAD‐Modell möglichst präzise in ein reales 3D‐Nanoobjekt zu überführen. Für die Zukunft soll eine simulationsgestützte Software zur Steuerung des Elektronenstrahls auch Laien die Anwendung erleichtern. 3D‐FEBID ist bereits heute ein zuverlässiges und in vielerlei Hinsicht einzigartiges Verfahren zur Direktabscheidung funktionaler Nanostrukturen.
In dieser Arbeit wurde zunächst schrittweise das Vorgehen beim Bau der TRD Prototypkammern , sowie die Maßnahmen zur Verbesserung der Kammerstabilität erklärt, um sicherzustellen, dass die erhobenen Messdaten zuverlässig sind. Es ist an dieser Stelle nochmals hervorzuheben, dass bereits kleine Veränderungen in der Bauweise einen großen Einfluss auf die Kammerstabilität haben.
Es wurde mit der Kammer 3 der Anodenstrom, die deponierte Photonenenergie und die Clusterrate gemessen. Anschließend wurden diese Daten ausgewertet und aus den Ergebnissen die Gasverstärkung berechnet. Die Auswertung bestätigt, dass die Kammer im Proportionalbereich betrieben wurde. Nach dem Vergleich der Gasverstärkungsfaktoren der Messung mit den simulierten Werten, zeigt sich dass die Messungen stärker als erwartet von den simulierten Werten abweichen.
Für weitere, genauere Aussagen wäre es interessant die Ergebnisse dieser Arbeit durch modifizierte Messungen zu uberprüfen. Dabei könnte der Einfluss verschiedener Gasdrucke innerhalb und außerhalb der Kammer sowie die Variation der Raumtemperatur auf die Gasverstärkung explizit untersucht werden. Außerdem wäre es von großem Interesse, Messungen mit verschiedenen Ar und CO2 und Xe und CO2 Mischverhältnissen durchzuführen, da der TRD im CBM Experiment mit Xe und CO2 betrieben werden soll, und der Gasverstärkungsfaktor ausschlaggebend für die angelegte Anodenspannung im laufenden Betrieb sein wird.
In dieser Arbeit wurde die Messung des Flusses von Protonen in Silber-Silber-Kollisionen bei 1:58 AGeV beschrieben. Dabei wurden drei verschiedene Flow Koeffzienten betrachtet, der gerichtete, der elliptische sowie der dreieckige Fluss.
Nachdem die Protonen zunächst anhand ihrer Masse identifziert wurden, wurde die Reaktionsebene rekonstruiert. Nachfolgend wurde das Vorgehen zur Bestimmmung der ersten drei Flow-Koeffzienten v1, v2 und v3 beschrieben. Diese wurden anschließend in Abhäangigkeit des Transversalimpulses und der Rapidität für vier Zentralitätsklassen im Bereich von 0 - 40% Zentralität dargestellt.
Da die Daten ebenfalls Silber-Kohlenstoff Reaktionen enthalten, weisen die Spektren eine Abweichung vom erwarteten Verlauf auf. Daher wurden diese Reaktionen anhand des in Abschnitt 3.1 beschriebenen Energieverhältnisses ERAT abgeschätzt und mit Hilfe eines Cut-Off Werts ausgeschlossen. Die daraus resultierenden Spektren konnten dadurch verbessert werden.
Im Fall der Gold-Gold Strahlzeit aus dem Jahr 2012 konnten neben Daten der hier diskutierten Flow-Koeffzienten v1, v2 und v3 ebenfalls Koeffzienten höherer Ordnung, v4 und v5, sowie Hinweise auf ein Auftreten von v6 gefunden werden.
Ähnliche Analysen könnten im Fall der Daten der Silber-Silber Kollisionen durchgeführt werden. Hier tritt zwar ein quantitativ kleinerer Fluss auf, da es sich bei den kollidierenden Nuklei um ein kleineres System handelt, jedoch treten im Vergleich zu Gold-Gold Kollisionen etwa zweifach so hohe Event-Raten auf. Somit kann mit der in dieser Arbeit beschriebenen Herangehensweise unter Verwendung der Daten der gesamten Strahlzeit untersucht werden, ob Hinweise auf Flow-Koeffzienten höherer Ordnung zu finden sind.
Außerdem sollte bei den bestehenden Ergebnissen eine Korrektur des Effekts der Occupancy des Detektors durchgeführt werden, da dieser wie in Abschnitt 3.2.1 beschrieben zu Verfälschungen des gemessenen Flusses führt. Dieser Effekt wird insbesondere im Fall des gerichteten Flusses v1 deutlich.
Des Weiteren ist eine Abschätzung der systematischen Fehler der Messungen erforderlich.
Dafür kann untersucht werden, welche Auswahlkriterien und Parameter die Messung beeinflussen, beispielsweise die Spurrekonstruktion und -selektion oder die Teilchenidentifikation. Unter Betrachtung der Auswirkungen auf die Ergebnisse der Flow-Koeffzienten kann die Analyse daraufhin mit Variationen dieser Werte durchgeführt werden. Somit kann der Bereich der systematischen Fehler abgeschätzt werden.