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Low-energy effective models for two-flavor quantum chromodynamics and the universality hypothesis
(2014)
Die Untersuchung der Natur auf extremen Längenskalen hat seit jeher zu bahnbrechenden Einsichten und Innovationen geführt. Insbesondere zu unserem heutigen Verständnis, dass Nukleonen (Protonen und Neutronen) aus Quarks zusammengesetzt sind, die infolge der starken Wechselwirkung, vermittelt durch Gluonenaustausch, gebunden sind. Mit dem Aufkommen des Quarkmodells wurde bald die Quantenchromodynamik (QCD) erfolgreich in der Beschreibung vieler messbarer Eigenschaften der starken Wechselwirkung. Um es mit Goethe zu sagen: mit den modernen Hochenergie-Beschleuniger-Experimenten wird versucht unser Verständnis davon zu verbessern, was die Welt im Innersten zusammenhält. Am Large Hadron Collider (LHC) werden beispielsweise Protonen derart beschleunigt und miteinander zur Kollision gebracht, dass bislang unerreichte Energiedichten auftreten, infolge derer Temperatur und baryochemisches Potential Werte annehmen, die mit denen des frühen Universums vergleichbar sind. Es gibt sowohl theoretische als auch experimentelle Hinweise darauf, dass hadronische Materie mit zunehmender Temperatur und/oder zunehmendem baryochemischen Potentials einen Phasenübergang durchläuft, hin zu einem exotischen Zustand, der als Quark-Gluon-Plasma bekannt ist. Dieser Übergang wird begleitet von einem sogenannten chiralen Übergang. Es ist eine wichtige Frage, ob es sich bei diesem chiralen Übergang um einen echten Phasenübergang (von erster bzw. zweiter Ordnung) handelt, oder ob ein sogenannter crossover vorliegt. Einige Resultate deuten auf einen crossover für verschwindendes baryochemisches Potential und einen Phasenübergang erster Ordnung für verschwindende Temperatur hin, lassen jedoch noch keinen endgültigen Schluss zu, ob dies tatsächlich der Realität entspricht. Wenn ja, so liegt die Annahme nahe, dass ein kritischer Endpunkt existiert, an dem der chirale Übergang von zweiter Ordnung ist. In der Tat existiert ein kritischer Endpunkt in einigen theoretischen Zugängen zur Beschreibung des chiralen Phasenübergangs, deren Aussagekraft seit jeher lebhaft diskutiert wird. Ein zentrales Ziel des zukünftigen CBM-Experiments an der GSI in Darmstadt ist es, die Existenz im Experiment zu überprüfen.
In der Nähe des QCD-(Phasen)übergangs ist es die Abwesenheit jeglicher perturbativer Entwicklungsparameter, die exakte analytische Berechnungen verbietet. Das gleiche gilt für realistische effektive Modelle für QCD. Nichtperturbative Methoden sind daher unverzichtbar für die Untersuchung des QCD-Phasendiagramms. Zu den populärsten dieser Zugänge gehören Gitter-QCD, Resummierungsverfahren, der Dyson-Schwinger-Formalismus, sowie die Funktionale Renormierungsgruppe (FRG). All diese Methoden ergänzen sich gegenseitig und werden zum Teil auch miteinander kombiniert. Eine der Stärken der FRG-Methode ist, dass sie nicht nur erfolgreich auf effektive Modelle angewendet werden kann, sondern auch auf QCD selbst. Für letztere Ab-Initio-Rechnungen sind die aus effektiven Modellen für QCD gewonnenen Resultate von grossem Wert.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Fragestellung von welcher Ordnung der chirale Phasenübergang im Fall von genau zwei leichten Quarksorten ist. Problemstellungen wie die Suche nach einer Antwort auf die Frage nach den Bedingungen für die Existenz eines Phasenübergangs zweiter Ordnung, die Bestimmung der Universalitätsklasse in diesem Fall etc. erfordern Wissen aus verschiedenen Gebieten.
Kapitel 1 besteht aus einer allgemeinen Einleitung.
In Kapitel 2 stellen wir zunächst einige allgemeine Aspekte von Phasenübergängen dar, die von besonderer Relevanz für das Verständnis des Renormierungsgruppen-Zugangs zu ebendiesen sind. Unser Fokus liegt hierbei auf einer kritischen Untersuchung der Universalitätshypothese. Insbesondere die Rechtfertigung des linearen Sigma-Modells als effektive Theorie für den chiralen Ordnungsparameter beruht auf der Gültigkeit selbiger.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit dem chiralen Phasenübergang von einem allgemeinen Standpunkt aus. Wir ergünzen wohlbekannte Fakten durch eine detaillierte Diskussion der sogenannten O(4)-Hypothese. Die Überprüfung der Gültigkeit selbiger wird schließlich in Kapitel 6 und 7 in Angriff genommen.
In Kapitel 4 stellen wir die von uns benutzte FRG-Methode vor. Außerdem diskutieren wir den Zusammenhang zwischen effektiven Theorien für QCD und der QCD selbst.
Kapitel 5 behandelt ein mathematisches Thema, das für alle unserer Untersuchungen unabdingbar ist, nämlich die systematische Konstruktion polynomialer Invarianten zu einer gegebenen Symmetrie. Wir präsentieren einen einfachen, jedoch neuartigen, Algorithmus für die praktische Konstruktion von Invarianten einer gegebenen polynomialen Ordnung.
Kapitel 6 widmet sich Renormierungsgruppen-Studien einer Reihe dimensional reduzierter Theorien. Von zentralem Interesse ist hierbei das lineare Sigma-Modell, insbesondere in Anwesenheit der axialen Anomalie. Es stellt sich heraus, dass die Fixpunkt-Struktur des letzteren vergleichsweise kompliziert ist und ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Methode sowie ihrer Annahmen erfordert. Dies führt uns zu einer sorgfältigen Analyse der Fixpunkt-Struktur von Modellen verschiedenster Symmetrien. Im Zusammenhang mit der Untersuchung des Einflusses von Vektor- und Axial-Vektor-Mesonen stoßen wir hierbei auf eine neue Universalitä}tsklasse.
Während wenig Spielraum für die Wahl der Symmetriegruppe der effektiven Theorie für den chiralen Ordnungsparameter besteht, ist die Identifizierung der Ordnungsparameter-Komponenten mit den relevanten mesonischen Freiheitsgraden hochgradig nichttrivial. Diese Wahl entspricht der Wahl einer Darstellung der Gruppe und kann zur Zeit nicht eindeutig aus der QCD hergeleitet werden. Es ist daher unerlässlich, verschiedene Möglichkeiten auszutesten. Eine wohlbekannte Wahl besteht darin, das Pion und seinen chiralen Partner, das Sigma-Meson, der O(4)-Darstellung für SU(2)_A x SU(2)_V zuzuordnen, welche einen Phasenübergang zweiter Ordnung erlaubt. Dieses Szenario ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn nahe der kritischen Temperatur alle anderen Mesonen entsprechend schwer sind. Im Fall von genau zwei leichten Quarkmassen erfordert dies eine hinreichend große Anomaliestärke. Berücksichtigt man zusätzlich zum Pion und Sigma-Meson auch das Eta-Meson und das a_0-Meson, liefern unsere derzeitigen expliziten Rechnungen keinen Nachweis für die Existenz eines Phasenübergang zweiter Ordnung. Stattdessen spricht die Abwesenheit eines physikalischen (hinsichtlich der Massen) infrarot-stabilen Fixpunktes für einen fluktuationsinduzierten Phasenübergang erster Ordnung. Dieses Ergebnis ist auch zu erwarten (jedoch nicht impliziert), allein durch die Existenz zweier quadratischer Invarianten. Es besteht jedoch immer noch eine hypothetische Chance auf einen Phasenübergang zweiter Ordnung in der SU(2)_A x U(2)_V -Universalitätsklasse. Dies wäre der Fall, wenn der entsprechende von uns gefundene unphysikalische infrarot-stabile Fixpunkt physikalisch werden sollte in höherer Trunkierungsordnung. Interessanterweise finden wir bei endlicher Temperatur für gewisse Parameter einen Phasenübergang zweiter Ordnung. Es ist unklar, ob diese Wahl der Parameter in den Gültigkeitsbereich der dimensional reduzierten Theorie fällt.
Erst vor kurzem (Ende September 2013) wurde die Existenz eines infrarot-stabilen U(2)_A x U(2)_V-symmetrischen Fixpunkts durch Pelissetto und Vicari verifiziert (die zugehörige anomale Dimension ist mit 0.12 angegeben). Dieses Resultat war sehr
überraschend, da für zwei leichte Quarksorten und abwesende Anomalie ein Phasenübergang erster Ordnung relativ gesichert erschien, insbesondere durch die Epsilon-Entwicklung. Offensichtlich versagt letztere jedoch im Limes D=3, also für drei räumliche Dimensionen, da lediglich Fixpunkte gefunden werden können, die auch nahe D=4 existieren. Inspiriert durch diesen wichtigen Fund führen wir eine FRG-Fixpunktstudie in lokaler Potential-Näherung und hoher Trunkierungsordnung (bis zu zehnter Ordnung in den Feldern) durch. Die Stabilitätsanalyse besitzt jedoch leider keine Aussagekraft, da die Stabilitätsmatrix für den Gaußschen Fixpunkt marginale Eigenwerte besitzt. Wir sind überzeugt davon, dass dies nicht mehr der Fall ist, wenn man über die lokale Potential-Näherung hinausgeht und eine nichtverschwindende anomale Dimension zulässt. Die bisherigen Resultate verdeutlichen die Limitierungen der lokalen Potential-Näherung und der Epsilon-Entwicklung, auf denen unsere Untersuchungen zur Universalitätshypothese in weiten Teilen beruhen. Systematische Untersuchungen der Fixpunktstruktur von Modellen mit acht Ordnungsparameter-Komponenten wurden in der Literatur im Rahmen der Epsilon-Entwicklung durchgeführt und im Rahmen dieser Dissertation innerhalb der lokalen Potential-Näherung. Die meisten der Vorhersagen der Epsilon-Entwicklung konnten bestätigt werden, einige hingegen werden in Frage gestellt durch das Auftauchen marginaler Stabilitätsmatrix-Eigenwerte.
Einige wichtige Fragestellungen können nicht im Rahmen einer dimensional reduzierten Theorie behandelt werden, da die explizite Temperaturabhängigkeit in diesem Fall eliminiert wurde.
Insbesondere ist es in diesem Fall nicht möglich, die Stärke eines Phasenübergangs erster Ordnung vorherzusagen, da diese von Observablen (Meson-Massen und die Pion-Zerfallskonstante im Vakuum) abhängen, an die man bei verschwindender Temperatur fitten muss. Dieser Umstand führt uns zu solchen FRG-Studien, in denen die Temperatur als expliziter Parameter verbleibt.
Ein beträchtlicher Teil der für die vorliegende Dissertation zur Verfügung stehenden Arbeitszeit wurde darauf verwendet, eigene Implementierungen geeigneter Algorithmen zur numerischen Lösung der auftretenden partiellen Differentialgleichungen zu finden. Exemplarische Routinen (welche ausschließlich wohlbekannte Methoden nutzen) sind in einem Anhang zur Verfügung gestellt. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit, die Anwendung auf effektive Modelle für QCD, wird in Kapitel 7 präsentiert. Unsere (vorläufigen) FRG-Studien des linearen Sigma-Modells mit axialer Anomalie bei nichtverschwindender Temperatur erlauben verschiedene Szenarien. Sowohl einen extrem schwach ausgeprägten, als auch einen sehr deutlichen Phasenübergang erster Ordnung, ganz abhängig von der Wahl der Ultraviolett-Abschneideskala und oben genannter Parameter. Sogar ein Phasenübergang zweiter Ordnung scheint möglich für gewisse Parameterwerte. Um verlässliche Schlussfolgerungen zu ziehen, sind weitere Untersuchungen nötig und bereits im Gange. In Kapitel 7 verifizieren wir außerdem bereits bekannte numerische Resultate für das Quark-Meson-Modell.
Fast nuclei are ionizing radiation which can cause deleterious effects to irradiated cells. The modelling of the interactions of such ions with matter and the related effects are very important to physics, radiobiology, medicine and space science and technology. A powerful method to study the interactions of ionizing radiation with biological systems was developed in the field of microdosimetry. Microdosimetry spectra characterize the energy deposition to objects of cellular size, i.e., a few micrometers.
In the present thesis the interaction of ions with tissue-like media was investigated using the Monte Carlo model for Heavy-Ion Therapy (MCHIT) developed at the Frankfurt Institute for Advanced Studies. MCHIT is a Geant4-based application intended to benchmark the physical models of Geant4 and investigate the physical properties of therapeutic ion beams. We have implemented new features in MCHIT in order to calculate microdosimetric quantities characterizing the radiation fields of accelerated nucleons and nuclei. The results of our Monte Carlo simulations were compared with recent experimental microdosimetry data.
In addition to microdosimetry calculations with MCHIT, we also investigated the biological properties of ion beams, e.g. their relative biological effectiveness (RBE), by means of the modified Microdosimetric-Kinetic model (MKM). The MKM uses microdosimetry spectra in describing cell response to radiation. MCHIT+MKM allowed us to study the physical and biological properties of ion beams. The main results of the thesis are as follows:
MCHIT is able to describe the spatial distribution of the physical dose in tissue-like media and microdosimetry spectra for ions with energies relevant to space research and ion-beam cancer therapy; MCHIT+MKM predicts a reduction of the biological effectiveness of ions propagating in extended medium due to nuclear fragmentation reactions; We predicted favourable biological dose-depth profiles for monoenergetic helium and lithium beams similar to the one for carbon beam. Well-adjusted biological dose distributions for H-1, He-4, C-12 and O-16 with a very flat spread-out Bragg peak (SOBP) plateau were calculated with MCHIT+MKM; MCHIT+MKM predicts less damage to healthy tissues in the entrance channel for SOBP He-4 and C-12 beams compared to H-1 and O-16 ones. No definitive advantages for oxygen ions with respect to carbon were found.
The laser-driven acceleration of protons from thin foils irradiated by hollow high-intensity laser beams in the regime of target normal sheath acceleration is reported for the first time. The use of hollow beams aims at reducing the initial emission solid angle of the TNSA source, due to a flattening of the electron sheath at the target rear side. The experiments were conducted at the PHELIX laser facility at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH with laser intensities in the range from 10^18 to 10^20 W/cm^2. We observed an average reduction of the half opening angle by (3.07±0.42)° or (13.2±2)% when the targets have a thickness between 12 to 14 μm. In addition, the highest proton energies were achieved with the hollow laser beam in comparison to the typical Gaussian focal spot.
The present work deals with the integration of variable renewable energy sources, wind and solar energy into the European and US power grid. In contrast to other networks, such as the gas supply mains, the electricity network is practically not able to store energy. Generation and consumption therefore always have tobe balanced. Currently, the load curve is viewed as a rigid boundary condition, which must be followed by the generation system. The basic idea of the approach followed here is that weather-dependent generation causes a shift of focus of the electricity supply. At high shares of wind and solar generation, the role of the rigid boundary condition falls to the residual load, that is, the remaining load after subtraction of renewable generation. The goal is to include the weather dependence as well as the load curve in the design of the future electricity supply.
After a brief introduction, the present work first turns to the underlying weather-, generation and load data, which form the starting point of the analysis. In addition, some basic concepts of energy economics are discussed, which are needed in the following.
In the main part of the thesis, several algorithms are developed to determine the load flow in a network with a high share of wind and solar energy and to determine the backup supply needed at the same time. Minimization of the energy needed from controllable power plants, the capacity variable power plants, and the capacity of storing serve as guiding principles. In addition, the optimization problem of grid extensions is considered. It is shown that it can be formulated as a convex optimization problem. It turns out that with an optimized, international transmission network which is about four times the currently available transmission capacity, much of the potential savings in backup energy (about 40%) in Europe can be reached. In contrast, a twelvefold increase the transmission capacity would be necessary for a complete implementation of all possible savings in dispatchable power plants.
The reduction of the dispatchable generation capacity and storage capacity, however, presents a greater challenge. Due to correlations in the generation of time series of individual countries, it may be reduced only with difficulty, and by only about 30%.
In the following, the influence of the relative share of wind and solar energy is illuminated and examined the interplay with the line capacitance. A stronger transmission network tends to lead to a higher proportion of wind energy being better integrated. With increasing line capacity, the optimal mix in Europe therefore shifts from about 70% to 80% wind. Similar analyses are carried out for the US with comparable results.
In addition, the cost of the overall system can be reduced. It is interesting at this point that the advantages for the network integration may outweigh higher production costs of individual technologies, so that it is more favourable from the viewpoint of the entire system to use the more expensive technologies.
Finally, attention is given to the flexibility of the dispatchable power plants. Starting from a Fourier-like decomposition of the load curve as it was a few years ago, when hardly renewable generation capacity was present, capacities of different flexibility classes of dispatchable power plant are calculated. For this purpose, it is assumed that the power plant park is able to follow the load curve without significant surplusses or deficits. From this examination, it is derived what capacity must at least be available without having to resort to a detailed database of existing power plants.
Assuming a strong European cooperation, with a stronger international transmission network, the dispatchable power capacity can be significantly reduced while maintaining security of supply and generating relatively small surplusses in dispatchable power plants.
The subject of this thesis is the experimental investigation of the neutron-capture cross sections of the neutron-rich, short-lived boron isotopes 13B and 14B, as they are thought to influence the rapid neutron-capture process (r process) nucleosynthesis in a neutrino-driven wind scenario.
The 13;14B(n,g)14;15B reactions were studied in inverse kinematics via Coulomb dissociation at the LAND/R3B setup (Reactions with Relativistic Radioactive Beams). A radioactive beam of 14;15B was produced via in-flight fragmentation and directed onto a lead-target at about 500 AMeV. The neutron breakup of the projectile within the electromagnetic field of the target nucleus was investigated in a kinematically complete measurement. All outgoing reaction products were detected and analyzed in order to reconstruct the excitation energy.
The differential Coulomb dissociation cross sections as a function of the excitation energy were obtained and first experimental constraints on the photoabsorption and the neutron-capture cross sections were deduced. The results were compared to theoretical approximations of the cross sections in question. The Coulomb dissociation cross section of 15B into 14B(g.s.) + n was determined to be s(15B;14B(g:s:)+n) CD = 81(8stat)(10syst) mb ; while the Coulomb dissociation cross section of 14B into a neutron and 13B in its ground state was found to be s(14B;13B(g:s:)+n) CD = 281(25stat)(43syst) mb: Furthermore, new information on the nuclear structure of 14B were achieved, as the spectral shape of the differential Coulomb dissociation cross section indicates a halolike structure of the nucleus.
Additionally, the Coulomb dissociation of 11Be was investigated and compared to previous measurements in order to verify the present analysis. The corresponding Coulomb dissociation cross section of 11Be into 10Be(g.s.) + n was found to be 450(40stat)(54syst ) mb, which is in good agreement with the results of Palit et al.
This thesis is structured into 7 chapters:
• Chapter 2 gives an overview of the ultrashort high intensity laser interaction with matter. The laser interaction with an induced plasma is described, starting from the kinematics of single electron motion, followed by collective electron effects and the ponderamotive motion in the laser focus and the plasma transparency for the laser beam. The three different mechanisms prepared to accelerate and propagate electrons through matter are discussed. The following indirect acceleration of protons is explained by the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. Finally some possible applications of laser accelerated protons are explained briefly.
• Chapter 3 deals with the modeling of geometry and field mapping of magnetic lens. Initial proton and electron distributions, fitted to PHELIX measured data are generated, a brief description of employed codes and used techniques in simulation is given, and the aberrations at the solenoid focal spot is studied.
• Chapter 4 presents a simulation study for suggested corrections to optimize the proton beam as a later beam source. Two tools have been employed in these suggested corrections, an aperture placed at the solenoid focal spot as energy selection tool, and a scattering foil placed in the proton beam to smooth the radial energy beam profile correlation at the focal spot due to chromatic aberrations. Another suggested correction has been investigated, to optimize the beam radius at the focal spot by lens geometry controlling.
• Chapter 5 presents a simulation study for the de-neutralization problem in TNSA caused by the fringing fields of pulsed magnetic solenoid and quadrupole. In this simulation, we followed an electrostatic model, wherethe evolution of both, self and mutual fields through the pulsed magnetic solenoid could be found, which is not the case in the quadrupole and only the growth of self fields could be found. The field mapping of magnetic elements is generated by the Matlab program, while the TraceWin code is employed to study the tracking through magnetic elements.
• Chapter 6 describes the PHELIX laser parameters at GSI with chirp pulse amplification technique (CPA), and Gafchromic Radiochromic film RCF) as a spatial energy resolver film detector. The results of experiments with laser proton acceleration, which were performed in two experimental areas at GSI (Z6 area and PHELIX Laser Hall (PLH)), are presented in section 6.3.
• Chapter 7 includes the main results of this work, conclusions and gives a perspective for future experimental activities.
Construction and commissioning of a setup to study ageing phenomena in high rate gas detectors
(2014)
In high-rate heavy-ion experiments, gaseous detectors encounter big challenges in terms of degradation of their performance due to a phenomenon dubbed ageing. In this thesis, a setup for high precision ageing studies has been constructed and commissioned at the GSI detector laboratory. The main objective is the study of ageing phenomena evoked by materials used to build gaseous detectors for the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR).
The precision of the measurement, e.g., of the gain of a gaseous detector, is a key element in ageing studies: it allows to perform the measurement at realistic rates in an acceptable time span. It is well known the accelerating ageing employing high intensity sources might produce misleading results. The primary objective is to build an apparatus which allows very accurate measurements and is thus sensitive to minute degradations in detector performance. The construction and commissioning of the
setup has been carried out in two steps. During the first step of this work, a simpler setup which already existed in the detector laboratory of GSI had been utilised to define all conditions related to ageing studies. The outcome of these studies defined the properties and characteristics that must be met to build and operate a new, sophisticated and precise setup. The already existing setup consisted of two identical Multi Wire Proportional Chambers (MWPCs), a gas mixing station, an 55Fe source, an x-ray generator, an outgassing box and stainless steel tubing. In a first step, the gain and electric field configuration of the MWPCs were simulated by a combination of a gas simulation (Magboltz) and electric field simulation program (Garfield). The performance and operating conditions of the chambers have been thoroughly characterised before utilising them in first preparatory ageing test. The main diagnostic parameter in ageing studies is the detector gain, thus it is mandatory for precise ageing studies to minimise the systematic and statistical variation of the pressure and temperature corrected gain. To achieve the required accuracy, several improvements of the chamber design and the gas system have been implemented. In addition, the temperature measurement has been optimised. During the preparatory tests, several ageing studies have been carried out. The ageing effect of seven materials and gases have been carried out during these tests: RTV-3145, Ar/CO2 gas, Durostone flushed with Ar/Isobutane gas, Vetronit G11, Vetronit G11 contaminated with Micro 3000 and Gerband 705. The results of these studies went into the design of the new sophisticated ageing setup. For example some tests revealed that there was, even after cleaning, a certain level of contamination with "ageing agents" in the existing setup, which made it imperative to ensure a very high level cleanness of all components during the construction of the setup. The curing period of some testing samples like glues or the gas flow rate were found to be very important factors that must be taken into account to obtain comparable results. Very important changes in the chamber design have been made, i.e., the aluminium-Kapton cathodes used in MWPCs have been replaced with multi-wire planes and the fibreglass housing of the chamber has been changed to metal. The second step started with building the new setup which was designed based on the findings from the first step. The new ageing setup consists of three MWPCs, two moving platforms, an 55Fe source, a copper-anode x-ray generator, two outgassing boxes, both flexible and rigid stainless steel tubes. Before fabrication of the chambers, simulations of their electric field and the gain have been done using Magboltz and Garfield programs. After that, the chambers were installed and tested. A 0.3% peak-to-peak residual variation of the corrected gain has been achieved. Finally, the complete setup has been operated with full functionality in no-ageing conditions during one week. This test revealed very stable gain in all three chambers. After that two materials (Gerban 705 and RTV-3145) have been inserted in the two outgassing boxes and tested. They revealed an ageing rate of about 0.3%/mC/cm and 3%/mC/cm respectively. The final test proves the stability and accuracy of the ageing measurements carried out with the ageing setup at the detector laboratory at GSI which is ready to conduct the envisaged systematic ageing studies.