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Aufbau eines Experimentes zur Untersuchung der Ionenstrahlkühlung mit Hilfe eines HF-Quadrupols
(2003)
Die Arbeit beschreibt ein Experiment zur Kühlung eines 40Ar-Ionenstrahls mittels eines 4He-Hintergrundgases innerhalb eines unmodulierten RF-Quadrupols von 500 mm Länge. Ziel des Experimentes war es, den Einfluss der Gaskühlung auf die Qualität von Ionenstrahlen geringer Energie und Intensität zu untersuchen. Die Ionen wurden bei unterschiedlichen Spannungen aus einem Duoplasmatron extrahiert und vor der Injektion in den Quadrupol durch ein elektrostatisches Linsensystem formiert. Die Stromstärke der Strahles wurde mittels einer Faradaytasse gemessen, die mit einer Sekundärelektronen unterdrückenden Repellerblende ausgestattet ist. Der Einfluß der variierten Parameter Hintergrundgasdruck, Quadrupolfrequenz und Strahlenergie auf die Qualität des Strahls wurde dabei nicht direkt über dessen, die Phasenraumverteilung beschreibende, Emittanz gemessen, sondern über die Veränderung der registrierten Strahlstromstärken an einer Blende konstanter Apertur, also der Brillanz abgeleitet. Vorbereitend wurden zunächst Duoplasmatron und Injektionssystem überholt, aufgebaut und mit der nötigen Energie- und Kühlversorgung ausgerüstet. Im anschließenden Testlauf mit ungekühlten Heliumionen wurden die einzustellenden Werte der Betriebsparameter Quellendruck und diverse Blendenspannungen ermittelt und das System auf seine der Reproduktion dienenden Stabilität geprüft. Dabei wurden im Dauerbetrieb Strahlstromstärken von 0,29 mA bei 1 keV/u und 0,02 mA bei 0,15 keV/u Strahlenergie erzielt. Mittels der bekannten Emittanz des Helium-Strahls bei 1 keV/u Energie und 0,25 mA Strahlstromstärke wurde die jeweilige normierte Emittanz der noch ungekühlten Strahlen auf 2,18*10-2 im ersten und 1,61*10-2 im zweiten Fall abgeschätzt. Zur Gaskühlung wurde ein Quadrupol mit 10 mm Apertur- und 7,5 mm Elektrodenradius gefertigt und mit einem Phasentrenner gekoppelt. Ein Breitbandgenerator und -Verstärker dienten der frequenz- und spannungsvariablen Elektrodenbelegung. Der Hintergrundgasdruck wurde mittels einem handelsüblichen Regelventil variiert. Um der ein großes Masseverhältnis von Strahlionen zu Hintergrundgas fordernden Theorie Rechnung zu tragen, wurden Argon als Ionen und Helium als Buffergas gewählt. Einer eingehenden Untersuchung der Auswirkung der einzelnen Komponenten und ihrer Kombination auf die Eigenschaften des Ionenstrahls folgte eine schrittweise Variation von Quadrupolfrequenz und Hintergrundgasdruck im Bereich 1-5 MHz und 9*10-6 - 4*10-3 mbar bei den Strahlenergien 15, 25 und 80 eV/u. Die hierbei gemessenen Strahlstromstärken wurden über die frequenzabhängige Elektrodenspannung normiert und mit der Stärke der ungekühlten Strahlen verglichen. Bei 15 eV/u Strahlenergie konnte die gemessene Maximalstromstärke um 43 % von 0,014 µA/V ungekühlt auf 0,02 µA/V bei 1*10-4 mbar Hintergrundgasdruck gesteigert werden. Die Strahlstromstärke des Strahles mit 25 eV/u Energie wurde von 0,045µA/V des ungekühlten auf 0,1 µA/V bei ca. 6*10-5 mbar verdoppelt. Bei 80 eV/u Energie blieb die Strahlstromstärke mit 0,35 µA/V unverändert, jedoch wurde im gesamten Bereich zwischen 2*10-5 und 3*10-5 mbar und 3,4 - 4,6 MHz mit annähernd konstanten 0,28 µA/V ein Plateau hoher Strahlstromstärke registriert, dem etwa 0,06 µA/V im ungekühlten Strahl entgegenstehen. Ein weniger stark ausgeprägtes Analogon wurde bei 15 eV/u im Frequenzbereich um 3,5 MHz beobachtet. In zwei von drei Fällen konnte im Experiment die Strahlstromstärke durch die Gaskühlung deutlich gesteigert werden, im dritten Fall wurde die Zahl der transportierten Ionen in einem zuvor ungeeigneten Frequenzbereich um den Faktor 4,5 gesteigert. Durch die Beziehung zwischen Strahlstromstärke I, Strahlbrillanz B und Strahlemittanz ε mit I~B~1/ε2 kann abschließend eine Verminderung der Strahlemittanz durch die Gaskühlung festgestellt werden. Die durchgeführten Experimente haben gezeigt, daß man bei niedrigen Strahlenergien einfach geladene Ionen bei relativ hohem Gasdruck und geeigneten Parametern des Quadrupols transportieren und die Emittanz des Strahls verbessern kann. Die Kombination von Quadrupol und Buffergas stellt also ein System dar, das als Gaskühler bei kleinen Strömen von Niedrigenergiestrahlen eingesetzt werden kann. Als nächstes würde zur weitergehenden, jedoch den Rahmen dieser Arbeit übersteigenden Untersuchung ein technisch und finanziell aufwändigerer Aufbau benötigt. Das benutzte Linsensystem würde durch ein auf die Ionensorte speziell abgestimmtes Injektionssystem und die Faradaytasse durch eine rechnergesteuerte, orts- und winkelauflösende Emittanzmessanlage ersetzt. Die somit erhaltene höhere Auflösung des Strahles würde den Übergang von der vorliegenden qualitativen Beschreibung der Gaskühlung zu einer quantitativen ermöglichen.
Die Motivation dieser Diplomarbeit bestand darin, die Unterschiede zwischen der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden und der normalleitenden Phase der Quarkmaterie aufzuzeigen und die Auswirkungen der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden Phase auf Quarksterne zu untersuchen. Dabei sollte festgestellt werden, wie groß der farbsupraleitende Gap sein muß, damit sich die Eigenschaften der Quarksterne merklich ändern. Dazu wurde die Kopplungskonstante variiert. Die Ergebnisse aus Kapitel 5 lassen sich somit zu folgenden Resultaten zusammenfassen: Die 2SC-< ud >-farbsupraleitende wird immer der normalleitenden Phase der Quarkmaterie vorgezogen, weil sie energetisch günstiger ist. Zudem muß die Quarkmaterie neutral sein, denn sonst würde sie wegen der abstoßenden Coulombkraft nicht stabil sein und die Quarksterne würden explodieren. 2SC-< ud >-farbsupraleitende Quarkmateriemit freien, massiven strange Quarks besitzt den höchsten Druck bei gegebenem quarkchemischen Potential und ist damit am meisten bevorzugt vor allen anderen in dieser Diplomarbeit betrachteten Quarkmateriephasen. Durch das Einführen des farbchemischen und elektrischen Potentials wird die 2SC-< ud >- farbsupraleitende Quarkmaterie neutralisiert. In der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden Phase ohne strange Quarks werden jedoch so viele Elektronen zur Neutralisation benötigt, daß der farbsupraleitende Gap erheblich verringert wird. Die 2SC-< ud >-farbsupraleitende Phase mit freien, massiven strange Quarks wird gegenüber der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden Phase ohne strange Quarks energetisch bevorzugt, weil erstere nicht so viele Elektronen zur Neutralisation benötigt, da diese Aufgabe hauptsächlich von den strange Quarks übernommen und dadurch der Gap nicht so erheblich reduziert wird. Zudem kommt noch der freie strange Quarkdruck hinzu, der diesen Zustand energetisch begünstigt. 2SC-< ud >-farbsupraleitende Quarksterne ohne strange Quarks besitzen einen maximal 122 Meter kleineren Radius und eine maximal 0.016 M⊙ kleinere Masse als normalleitende Quarksterne ohne strange Quarks. 2SC-< ud >-farbsupraleitende Quarksterne mit strange Quarks besitzen einen maximal 72 Meter kleineren Radius und eine maximal 0.023 M⊙ kleinere Masse als normalleitende Quarksterne mit strange Quarks. Erhöht man den farbsupraleitenden Gap, dann werden die Quarksterne größer und schwerer. Vergrößert man die Kopplungskonstante um das 1.5-fache des angegebenen Referenzwertes (5.2), dann ungefähr verdoppelt sich der farbsupraleitende Gap. Ein Quarkstern mit strange Quarks weist dann eine Radiusdifferenz von einem Kilometer und eine Massendifferenz von 0.31 M⊙ zu einem Quarkstern mit normalleitender Phase auf. Durch Verringern des Referenzwertes der Kopplungskonstante wird auch der farbsupraleitende Gap reduziert und es treten so gut wie keine Unterschiede mehr zur normalleitenden Phase des Quarksterns auf.
Um, mit Simulationsexperimenten, den Einfluß des Strahlprofils auf die Pellet- bzw. Targetdynamik bei der Trägheitseinschlussfusion mit Schwerionenstrahlen zu untersuchen, wurde der Simulationscode MULTI2D so modifiziert, daß eine Darstellung der Energiedeposition in zwei kartesischen Koordinaten möglich ist. Für die Simulationen wurde die Strahl-Target-Kombination von V. Vatulin, O. Vinokurov und N. Riabikina, “Investigation of the Dynamics of Solid Cylindrical Targets Illuminated by Ion Beams with Elliptic Cross Section“, aus dem GSI Report High Energy Density in Matter Produced by Heavy Ion Beams (GSI-99-04), verwendet. Die in der Arbeit von Vatulin et al. verwendeten Strahlparameter, beziehen sich auf ein an der GSI in Darmstadt in Planung befindliches Ionen- und Antiprotonensynchroton mit wesentlich höherer Strahlleistung als beim gegenwärtigen Schwerionensychrotron SIS. Um eine ausreichend hohe Auflösung zu erhalten, wurde für die Target-Simulation in MULTI2D ein Lagrange-Gitter mit 43200 Gitterpunkten ausgewählt. Als erstes wurden umfangreiche Untersuchungen der Entwicklung der Temperatur, des Drucks, der Geschwindigkeit und der Dichte der Volumenelemente des Targets durchgeführt. Hierzu wurden zweidimensionale Targetschnitte dieser Größen zu bestimmten Zeiten, ortsaufgelöste Darstellungen dieser Größen entlang einer kartesischen Achse des Targetschnitts zu ausgewählten Zeiten, und zeitaufgelöste Darstellungen dieser Größen an bestimmten Orten des Gitters, bzw. in bestimmten Volumenbereichen des Targets angefertigt. Sowohl bei Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl, als auch bei Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl, werden innerhalb von 20 ns 1.4 MJ/g deponiert. Während und nach der Energiedeposition breitet sich eine Kompressionswelle sowohl in Richtung Targetzentrum als auch in Richtung Targetperipherie aus. ~ 25 ns nach Beginn der Energiedeposition erreichen Temperatur und Druck ihren Maximalwert im Zentrum des Targets. Der Radius des Gebiets maximalen Drucks vergrößert sich innerhalb der nächsten 2 ns auf ~6 x 10 exp -3. Die Kompressionswelle breitet sich langsamer in Richtung Targetzentrum aus, als der Druck und die Temperatur. Wegen des hohen Drucks im Zentrum, befindet sich der Ort maximaler Dichte nicht im Targetzentrum, ~ 24,5 ns nach Strahlungsbeginn einen Ring hoher Dichte um das Zentrum herum. Kurz darauf, ~24,6 ns nach Strahlungsbeginn, bildet sich, ausgelöst durch das Zusammentreffen der Dichtewelle im Targetzentrum, ein kleinerer Ring hoher Dichte um das Targetzentrum herum. Bereits nach 24.75 ns, also nur 0.2 ns nach dem Zusammentreffen der Materie im Zentrum, ist die Dichte in diesem Ring höher als im weiter vom Targetzentrum entfernt liegenden Ring hoher Dichte. Dies gilt sowohl für die Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl, als auch für die Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl. Die Maximalwerte der Größen Temperatur, Druck und Dichte im Target liegen bei Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl bis zu 20% unter denen bei Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl. Die Dichten im Ring maximaler Dichte liegen bei Bestrahlung mit radialsymmetrischem Hohlstrahl bei~ 160 g/ccm, bei Bestrahlung mit elliptischem Hohlstrahl knapp darunter. Das maximale Achsenverhältnis lag bei (1:2.25), bei größeren Achsenverhältnisen wird die weniger dichte Substanz im Zentrum des Pellets so ungleichmäßig komprimiert, das es vorzeitig zu einer Vermischung des Treibers im Pelletzentrum mit dem Pelletmantel kommt, so daß der Treiber nicht ausreichend komprimiert wird. Die theoretische Untersuchung, welchen Einfluss das Strahlprofil auf die Targetkompression hat ist von großer Bedeutung, weil der Transport und die Fokussierung von Schwerionenstrahlung so hoher Intensität, wie sie für eine Targetkompression mit Fusionsbrennen nötig sind, sehr schwierig und noch nicht Stand der Technik ist. Sollte durch andere Arbeiten bestätigt werden, daß bei direkter Bestrahlung eines Hohltargets, bzw. eines Targets mit einem Mantel aus relativ dichtem Material und einem weniger dichten Treiber im Targetzentrum, mit einem Schwerionen-Hohl-Strahl, das Maximum der Druckwelle das Zentrum nicht erreicht, und somit ein Ring bzw. eine Hohlkugel maximalen Drucks um das Zentrum herum gebildet wird, hätte das, falls diese Technik zur Anwengung kommt, Konsequenzen für die Kompressionsdynamik eines realen Pellets. Möglicherweise wird nach der Zündung des Plasmas ein größerer Teil des Treibstoffs schneller verbrannt werden als bei einer Zündung im Pelletzentrum, außerdem könnte sich die Lebensdauer des Pellets erhöhen. Dies hätte für den Fall der direkten Bestrahlung eines Hohltargets mit einem Schwerionen-Hohl-Strahl eine Änderung des rho-R-Kriterium zur Folge, das Pellet müsste nicht so stark komprimiert werden wie bisher vermutet, so daß die technischen Voraussetzungen für ein Fusionsbrennen vieleicht schneller realisiert werden können, als bisher angenommen.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind Ladungsfluktuationen bei Kollisionen von Blei-Kernen bei den Energien 30, 60, 80 und 160 GeV untersucht worden. Das Interesse an den Ladungsfluktuationen beruht darauf, dass sie einen Hinweis auf die Bildung des Quark-Gluon-Plasmas liefern könnten. Im ersten Teil der Arbeit werden mit Hilfe von einfachen Modellen zwei Variablen untersucht, D-tilde und DeltaPhiq, um die optimale Observable zur Messung der Ladungsfluktuationen zu finden. Im zweiten Teil werden experimentelle Resultate präsentiert, die aus den Daten des CERN-SPS-Experimentes NA49 gewonen wurden. Die gemessenen Ladungsfluktuationen entsprechen denen, die von einem Pionen-Gas erwartet werden, wenn die Pionen nur aufgrund der Ladungserhaltung korreliert sind. Es wird jedoch gezeigt, dass diese Resultate nicht der Annahme widersprechen, dass das Quark-Gluon-Plasma bei SPS-Energien gebildet wird.
Ein Schwerpunkt der physikalischen Fragestellungen, die zur Entwicklung des Dileptonenspektrometers HADES führten, ist die präzise Vermessung des invarianten Massenspektrums von Dileptonen, die in zentralen Reaktionen von relativistischen Schwerionen entstehen. In den Spektren sind die leptonischen Zerfälle der Vektormesonen enthalten. Aus Position und Breite der entsprechenden Signale kann auf eine mögliche Veränderung der Eigenschaften von Vektormesonen im dichten und heißen Kernmedium geschlossen werden. Für die Rekonstruktion der Teilchentrajektorien der Elektronen und Positronen werden die Vieldraht-Driftkammern verwendet, und unter Berücksichtigung des Magnetfelds kann der Teilchenimpuls mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die hohe Impulsauflösung gepaart mit einer großen Akzeptanz und einem effektiven Trigger, ist eine notwendige Voraussetzung für das Studium von Dileptonen im SIS Energiebereich 1-2 GeV per Nukleon. Eine Flugzeitwand ermittelt über die Teilchenmultiplizität die Zentralität des Stoßes und hilft mittels der Flugzeit bei der Identifikation von Teilchen, insbesondere der Hadronen. Elektronen werden mit Hilfe spezieller Detektoren (Ringabbildender Cherenkov Detektor und Schauerdetektor) identifiziert. Ein effizientes Triggerkonzept zusammen mit einer innovativen Datenaufnahme ermöglicht, solche Ereignisse, in denen sich Dileptonenkandidaten befinden, schnell zu erkennen und dann zu registrieren, um so in kurzer Zeit eine hinreichende Statistik an Dileptonen zu erhalten. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten war das Ziel der Diplomarbeit, die Untersuchung des Ansprechverhaltens der Driftkammern auf Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung und deren Positionen relativ zur Flugzeitwand zu bestimmen. Da die Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung ähnliche Signale in den Vieldraht-Driftkammern hervorrufen wie die in den Schwerionenreaktionen produzierten minimal ionisierenden Teilchen, war es möglich, unabhängig von Strahlzeiten das Ansprechverhalten der Vieldraht-Driftkammern zu untersuchen. Um dieses zu erforschen, wurde zunächst ein spezieller Trigger aufgebaut, der auf Koinzidenzen von gegenüberliegenden Flugzeitwand-Sektoren beruht. So konnte das Durchqueren eines Myon-Kandidaten durch das Spektrometer registriert, und die Teilchentrajektorie vom Ein- bis zum Austritt aus diesem nachvollzogen werden. Die primären Messgrößen, wie die Driftzeiten, und die Korrelation zwischen den Driftkammern und der Flugzeitwand, wurden untersucht und mit Daten aus dem Strahlzeit-Experiment vom November 2001 C+C bei 1,9 GeV per Nukleon verglichen. Weiterhin wurde nach Entwicklung einer Myonen-Kandidatensuche die Effizienz der Driftkammern analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Driftkammerebenen des Sektors 1 eine Nachweiswahrscheinlichkeit für kosmische Myonen von über 93% aufzeigen. Eine Optimierung der Methode hinsichtlich der Ortsauflösung und Korrelationen zu anderen Drahtebenen oder Driftkammern anderer Ebenen kann in Zukunft in Angriff genommen werden. Da die Intensität der Myonen gering ist, und sie in den meisten Fällen das Spektrometer auf geraden Bahnen durchqueren, sind Vieldeutigkeiten minimiert. So war es möglich, die Positionen der Driftkammern relativ zur Flugzeitwand mit einer Genauigkeit, die durch die Ortsauflösung der Szintillatoren der Flugzeitwand dominiert ist, zu ermitteln. Im Vergleich zu den Standard-Justierungsparametern ergeben sich Abweichungen von bis zu 37,73 mm für die Relativpositionen der Vieldraht-Driftkammern im Vergleich zur Flugzeitwand mit einer Ungenauigkeit von maximal ±7 mm. Um die für das invariante Massenspektrum der Dileptonen notwendige Massenauflösung zu erreichen, wird empfohlen, die Relativpositionen der Driftkammern zueinander und zum Magnetfeld zu bestimmen. Hierfür muss die exakte Ortsinformation des Durchstoßpunktes des Myons auf die Driftkammer über eine Anpassung der Trajektorie berechnet werden. Daraufhin können die Positionen der Driftkammern relativ zueinander mit einer Genauigkeit von < 100 mm ermittelt werden.