Physik
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Es wurde eine Apparatur zur Messung der Ladungszustandsverteilung von langsamen, hochgeladenen Ionen nach der Wechselwirkung in dünnen Foilen aufgebaut und angewendet. Die Ladungszustandsverteilung von Ionen mit Ladungszuständen von 1+ (H) bis 75+(Th) wurden im Geschwindigkeitsbereich von 0.2 bis 0.75 vBohr nach einer 5 nm und 10 nm dicken amorphen Kohlenstoff-Folie bestimmt. Ionen, die die (10 nm)-Folie passierten, befanden sich im wesentlichen in einem Gleichgewichtsladungszustand (1-2+), der sich grob durch das Bohr-Kriterium beschreiben läßt. Die mittleren Endladungszustände von Ionen mit Anfangsladungen >= 33+ zeigten nach der 5 nm dicken Folie eine deutliche Abweichung von diesem Gleichgewicht. Mittlere Ladungszustände bis zu 8.2+ (Th) wurden beobachtet. Es handelt sich dabei um die erste Beobachtung von Nicht-Gleichgewichtsladungszuständen langsamer Ionen nach der Transmission durch einen Festkörper. Dieses Ergebnis wird dahingehend gedeutet, daß die Zeitspanne, die zur Neutralisation und Relaxation der Ionen in der 5 nm Folie zur Verfügung steht, nicht ausreichend ist. Aus den Ergebnissen der Sekundärelektronen Ausbeute wird geschlossen, daß ein Teil der Innerschalen-Plätze bis zum Austritt aus der Folie nicht gefüllt werden konnte. Desweiteren könnte eine Verarmung des Festkörpers an Elektronen im Einschlagsbereich des hochgeladenen Ions vorliegen. Anhand der gesammelten Daten wurde ein semi-empirisches Modell zur Beschreibung des Ladungszustandes eines hochgeladenen Ions in einem Festkörper aufgestellt. Es zeigt sich, daß die Daten gut durch einen zweistufugen Füllprozess beschrieben werden können, der aus einem Aufbau einer Abschirmwolke um das Projektil, sowie der weiteren Abregung besteht. Die charakteristischen Zeiten für Aufbau und Abregung bewegen sich im Bereich von 2 fs. Nach etwa 7 fs kann von einer vollständigen Relaxation des Projektils ausgegangen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zum Ladungsausgleich der hochgeladenen Ionen wurden in [37] veröffentlicht.
Das im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Experiment hatte zum Ziel Interferenzeffekte beim dissoziativen Ladungstransfer bei Molekülion-Atomstößen zu beobachten. Interferenzeffekte in Molekül-Atomstößen wurden von McGuire hervorgesagt und berechnet [4]. Diese Arbeit betrachtet ein ähnlichen Reaktionssystem. Die von ihm vorausgesagten Effekte wurden bestätigt. Das Experiment hat es ermöglicht, Interferenzen für alle Molekülorientierungen zu betrachten, womit man leicht Analogien zu zwei speziellen Fällen herstellen kann: mit der Molekülachse senkrecht zur Strahlrichtung entsteht eine Situation ähnlich einem Doppelspalt, bei dem die Kerne des Moleküls als Reaktionszentrum an Stelle der Spalte treten; mit der Molekülachse in Strahlrichtung entsteht eine Situation bei der Streuung an einem einzelnen Atom. In allem Molekülorientierungen erkennt man ein ringförmiges Minimum bei 1.6 a.u., wie es insbesondere bei der Beugung einem einzelnen Atom zu beobachten ist. Bei senkrechter Stellung der Molekülachse zur z-Achse überlagert durch die Streifen eines Doppelspaltes. Es war außerdem möglich den Endzustand der Teilchen zu bestimmen, so daß man sagen konnte, ob eine Teilchen angeregt aus der Reaktion hervorgegangen ist oder ob es über metastabile Zwischenzustände zerfallen ist. So ließ sich für den Impulsübertrag von 1.6 au eine Besonderheit feststellen: ein Minimum läßt sich nur im direkten Kanal ohne Anregung beobachten. Findet der Zerfall hingegen über metastabile Zwischenzustände ohne Anregung statt, so weist dieser Kanal bei etwa 1.6 au ein Maximum auf. Parallel zur Durchführung dieser Arbeit wurden erste Tests mit einem digitalen Oszillographen von Aquiris gemacht. Dieser speichert den Spannungsverlauf der Spannung an den Delaylineanoden. Peaks müssen dann schnell genug erkannt und ausgewertet werden. In der Offlineanalyse wären dann eng nebeneinander oder übereinanderliegende Peaks besser als solche zu erkennen. Diese würde die Totzeitproblematik, die sie durch die Dissoziation eines Moleküls senkrecht zur z-Achse entsteht, erheblich entschärfen.
Als Ergebnis dieser Arbeit kann man sehen, daß es experimentiell gelungen ist, mit einem alpha-förmigen Linearresonator einen stabilen unabhängig abstimmbaren Zwei-Farben Ti:saphir Laser aufzubauen, der so in der wissenschaflichen Literatur noch nicht beschrieben ist. Eine Veröfentlichung zu der vorgelegten Arbeit [22] ist beim IEEE Journal of Quantum Electronics eingereicht worden. Die Ausgangsleistung dieses Lasers liegt bei 300 mW. Die durchgeführten Experimente lassen darauf schließen, daß der Laser die meiste Zeit nur auf einer longitudinalen Mode emittiert. Bei einem gleichzeitig möglichen Abstimmbereich von 740 nm bis 850 nm, welches ein Verhältnis von Linienbreite zu Abstimmbereich von besser als 1:250000 bedeutet. Den Beweis, daß der Laser auch bei sehr geringen Differenzfrequenzen betrieben werden kann, lieferte die direkte Messung des Schwebungssignals zwischen den beiden Lasern. Dabei muß man zugeben, daß das im Eingangszitat dieser Arbeit erwähnte Schwebungssignal nicht ohne Hilfsmittel an einer Wand zu beobachten war, sondern eine minimale Schwebung von 3 Mhz gemessen wurde. Im Vergleich zu den 3 x 10 exp 8 Mhz der einzelner Farben ist dies aber ein gutes Ergebnis. Zusätzlich wurde mit dem Ringlaser ein anderer Ansatz zur Abstimmung des Systems realisiert. Diese Anordnung hat mit 800 mW Vorteile bezüglich der Ausgangsleistung aber Nachteile in Hinblick auf Abstimmung und Linienbreite. Im theoretischen Teil konnte gezeigt werden, welche Eigenschaften ein Laser-Resonator haben muß, um stabil im Zweifarben Betrieb eingesetzt zu werden. Weiterhin konnten auch noch die dynamischen Effekte der beiden Resonatortypen mit Hilfe einer Simulation beschrieben werden. Der Laser soll in der Erzeugung von kontinuierlicher Strahlung im Thz Bereich verwendet werden. Dabei sollen photokonduktive Antennen, wie auch Halbleiteroberflächen als Emitter dienen. Bis zum Ende dieser Arbeit konnte der Laser aus zeitlichen Gründen nicht für diese Messungen eingesetzt werden, da es zu Verzögerungen mit den Proben, wie auch mit den Meßgeräten kam. Die Charakterisierung des Lasers aber zeigte, daß die beiden schmalbandigen Farben bei einer Differenzfrenz im Thz-Bereich (20 GHz–50THz) stabil zu realisieren sind.
Die vorliegende Diplomarbeit lässt sich dem Gebiet der Terahertz-Physik (THz-Physik) zuordnen, also dem Gebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und Detektion von Ferninfrarotstrahlung beschäftigt. THz-Strahlung stellt dabei die Verbindung zwischen den elektromagnetischen Mikrowellen und den Wellen des infraroten Frequenzbereiches dar. Damit umfasst der THz-Bereich Frequenzen von etwa 100 GHz bis zu 100 THz. Die Forschung, die sich mit diesem Frequenzbereich beschäftigt, ist mittlerweile stark differenziert. Dabei geht es auf der einen Seite um die Entwicklung neuer bzw. die Weiterentwicklung und Optimierung bestehender THz-Erzeugungs- und Detektionsverfahren, auf der anderen Seite geht es um die Frage nach den möglichen Anwendungsgebieten für die entwickelten THz-Techniken. Entwickelt werden sowohl gepulste wie auch Dauerstrich-THz-Systeme, die auf einer Vielzahl verschiedener physikalischer Emissionsprozesse basieren. Die Anwendungsseite der THz-Forschung umfasst Gebiete wie die Spektroskopie, d.h. die Materialcharakterisierung und -untersuchung, aber auch komplexe biomedizinische Untersuchungsverfahren, wie z.B. die Krebsdiagnostik in der Onkologie. In der Bandbreite der weltweiten THz-Aktivitäten befindet sich diese Arbeit sowohl im Bereich der Entwicklung von THz-Techniken als auch in dem eher anwendungsbezogenen Bereich: Zunächst werden im zweiten Kapitel die verwendeten THz-Techniken und Messaufbauten vorgestellt, ebenso wie deren Funktionsweisen und speziellen Eigenschaften. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung von großflächigen THz-Emittern in gepulsten Lasersystemen. Diese weisen gegenüber den häufig verwendeten punktförmigen THz-Emittern einige grundlegende Unterschiede auf. Diese Unterschiede sollen zunächst durch die in das Kapitel einführenden theoretischen Grundlagen herausgearbeitet und danach anhand eines elektrooptischen Emitters und eines elektrisch vorgespannten Halbleiteremitters überprüft werden. In den folgenden Kapiteln wendet sich der Fokus dann mehr der Anwendung von THz-Strahlung zu. Dazu finden im vierten Kapitel Überlegungen und Experimente zu der Charakterisierung von, zunächst anorganischen, mehrschichtigen Systemen auf der Basis von Halbleiterstrukturen statt, die mit einem Ausblick auf eine biomedizinische Anwendung der THz-Strahlung, bei der Untersuchung von Zähnen, abgeschlossen werden. Im fünften Kapitel soll ein Silizium-Paraffin-Gemisch auf seine Stoffigenschaften untersucht werden. Für dieses Gemisch lassen sich die Stoffeigenschaften im THz-Bereich mittels des Mischungsverhältnisses der beiden Ausgangsmaterialien anpassen. Mögliche Anwendungen für ein solches Material sind indexangepasste Füllungen von Zwischenräumen, um störende Reflexionen an den jeweiligen Grenzflächen zu vermeiden; so wie die Konstruktion von Antireflexionsschichten für THz-Optiken. Beide Anwendungen werden in Form von Experimenten vorgestellt. Abschließend werden alle Ergebnisse in einem Fazit zusammengefasst, und es erfolgt ein Ausblick auf weitere Untersuchungen.
Konzeptionelle Untersuchungen eines Dielektronenspektrometers für Schwerionenstöße im GeV/u-Bereich
(1993)
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) sollen Dielektronen, die bei zentralen Au+Au-Kollisionen der Energie von bis zu 2 GeV/u entstehen, spektroskopiert werden. Zentrale Detektorkomponente ist ein Magnetspektrometer, bestehend aus einem toroidalem Magnetfeld und 24 Driftkammern, die zur Orts- und Impulsbestimmung durch Ablenkung im Magnetfeld verwendet werden. Hohe Raten minimal ionisierender Teilchen, eine Massenauflösung von 1% im Massenbereich von 800 (MeVc) exp -2 sowie eine sichere Signalerkennung und -zuordnung stellen höchste Anforderungen an das Spektrometer, insbesondere an die Driftkammern. Ziel dieser Arbeit ist das grundlegende Verständnis der Funktionsweise der Driftkammern, die bei HADES eingesetzt werden, dazu gehört: (a): das physikalische Verständnis der Funktionsweise, insbesondere - die genaue Kenntnis des Feldverlaufs innerhalb der Kammern, sowie die Eigenschaften des verwendeten Driftkammergases und - die Bestimmung des theoretisch maximal erreichbaren Ortsauflösungsvermögens der Driftkammern, (b): die technische Seite, die den Aufbau der Driftkammern untersucht. Dies ist besonders wichtig, da in den HADES-Simulationsrechnungen aufgrund der großen Anzahl individueller Drähte mit Folien äquivalenter Massen gerechnet wurde. Hilfsmittel zur Untersuchung dieser Fragestellungen waren einerseits Programme, die Monte-Carlo-Methoden verwenden, andererseits Experimente, die an einem Prototyp der HADES-Driftkammern durchgeführt wurden, wobei jedoch der Schwerpunkt dieser Arbeit auf den Simulationrechnungen liegt. Kapitel 1 gibt einen Überblick über die physikalische Motivation von HADES und beschreibt kurz die einzelnen Komponenten des Spektrometers und die Driftkammerphysik. Kapitel 2 geht auf den Aufbau der HADES-Driftkammern ein und stellt die mit Hilfe von Simulationsrechnungen gewonnenen Erkenntnisse über die Kammern vor. Kapitel 3 behandelt die Bestimmung der intrinsischen Auflöosung der Prototyp-Driftkammer. Da dies allein mit Hilfe von Quellenmessungen aufgrund der Vielfachstreuung nicht möglich ist, wurde der Anteil an Vielfachstreuung mit Simulationsrechnungen bestimmt. Kapitel 4 vergleicht die Erkenntnisse über das Verhalten der Driftkammern, die in Kapitel 2 gewonnen wurden, mit einem am SIS (Schwerionen-Synchrotron) gemachten Experiment. Abschließend wird das Modell einer Driftkammer mit realen Drähten mit dem Modell einer Driftkammer verglichen, in der die Drähte durch Folien äquivalenter Massenbelegung ersetzt wurden.
Im HADES-Detektorsystem werden Vieldraht-Driftkammern zur Spurrekonstruktion verwendet. Für eine genaue Untersuchung des Driftzeitverhaltens innerhalb der Driftzellen wird ein ortsempfindliches Referenzdetektorsystem benötigt. Hierfür wurden Silizium-Mikrostreifen-Detektoren mit einer Ortsauflösung im Bereich kleiner als 10 mikrom eingesetzt. Diese wurden zu einem Strahlteleskop zusammengebaut, mit dem die Teilchentrajektorie zwischen zwei Referenz-Meßunkten bestimmt werden kann. Probleme bereitete die Vielfachstreuung in den einzelnen Komponenten des Teleskop-Aufbaus, die den geradlinigen Teilchendurchgang zwischen den beiden Ortsmessungen beeinflußte. Dies wurde durch Messung mit Teilchen höherer Steifigkeit ausgeglichen. Die Silizium-mü-Streifen-Detektoren zeigten ein gutes Signal-zu-Untergrund Verhalten und wiesen eine sehr gute Effizienz auf. Die Bestimmung des Teilchendurchgangsortes durch den Driftkammer-Prototyp 0 ermöglichte die Messung der Driftgeschwindigkeit. Auch das Driftzeitverhalten in Abhängigkeit vom Ort des Teilchendurchgangs konnte genau untersucht werden.
Gemessen wurden der gerichtete und der elliptische Fluss von Pionen und Protonen in Blei-Blei-Stößen bei einer Laborenergie des Projektils von 40 GeV pro Nukleon. Bestimmt wurde die Abhängigkeit der beiden Flusskomponenten von der Zentralität des Stoßes sowie von der Rapidität und dem Transversalimpuls der gemessenen Teilchen. Zur Rekonstruktion des Flusses wurde die Methode der Korrelation der Teilchen mit der abgeschätzten Reaktionsebene verwendet. Zur Korrektur der azimutalen Anisotropien des Detektors wurde die Methode des Zentrierens der Teilchenverteilung in Abhängigkeit von Rapidität und Transversalimpuls angewendet. Für den v2 wurde eine Abänderung des Korrelationsterms nötig, um den Einflüssen durch die schlechte Akzeptanz entgegenzuwirken. Weiterhin wurde der Einfluss von Nicht-Fluss-Korrelationen zwischen den gemessenen Teilchen auf den Fluss untersucht. Dabei erkannte man einen starken Einfluss der Transversalimpulserhaltung im v1, der durch eine Korrektur behoben werden konnte. Einen weniger starken Einfluss konnte man bei der Untersuchung im Phasenraum kurzreichweitiger Korrelationen feststellen. Es wurde erstmals deutlich ein negativer gerichteter Fluss von Protonen nahe der Schwerpunktsrapidität beobachtet, der bereits mittels meherer theoretischer Rechnungen vorhergesagt wurde. Sowohl der gerichtete als auch der elliptische Fluss erreicht bei 40 AGeV Laborenergie annähernd die gleichen Werte, die von NA49 bei 158 AGeV Laborenergie gemessen wurden. Die für den Fluss gemessenen Werte befinden sich teilweise in Übereinstimmung mit denen des Experimentes CERES/NA45, ist allerdings nur bedingt möglich, da bisher nur einzelne vorläufige Resultate veröffentlicht wurden. Die für den elliptischen Fluss gemessenen Werte bei der Schwerpunktsrapidität und einer Zentralität von 25% liegen etwas höher als man aus der beobachteten Systematik der Energieabhängigkeit zwischen den Experimenten E877 (mit 10 AGeV Laborenergie am AGS), CERES und NA49 (bei einer Energie von und 160 AGeV am SPS) sowie STAR (am RHIC bei einer Energie von psNN = 130GeV) erwartet hat. So wird von den Werten am AGS bei voller Energie zu denen am SPS bei 40 AGeV ein Anstieg von 2% auf 3,3% beobachtet. Von 40 AGeV zu 158 AGeV Laborenergie am SPS ändert sich der Wert nur minimal von 3,3% auf 3,2%. Zwischen der höheren SPS-Energie von 158 AGeV und der RHIC-Energie von psNN = 130GeV wird ein weiterer Anstieg von 3,2% auf 5,6% gemessen. Das ist ein Anzeichen für eine Anomalie, die im Bereich der SPS-Energien vorliegen könnte. Eine genauere Bestimmung des Flusses ist noch möglich, da für die Analyse dieser Arbeit erst eine Hälfte der gemessenen Daten zur Verfügung stand. Mit Hilfe dieser Daten ließe sich die Energieabhängigkeit des Flusses genauer untersuchen und die gefundene Anomalie bestätigen.