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Entwicklung und Aufbau eines Elektronenstrahl-Extraktionssystems für die Frankfurter EZR-Ionenquelle
(1998)
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Frankfurter 14.4GHz-EZR-(ve)RFQProjektes zur Erzeugung und Beschleunigung von hochgeladenen Ionen für atomphysikalische Experimente und zur Materialforschung. Die Kernelemente dieser Anlage sind eine 14.4 GHz Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle, ein 90-137° Analysiermagnet und ein Radio-Frequenz-Quadrupol-Beschleuniger mit variabler Energie. In der EZR-Ionenquelle werden hochgeladene Ionen durch Stöße mit schnellen Elektronen erzeugt. Die Elektronen werden durch Überlagerung eines magnetischen Doppelspiegelfeldes mit einem magnetischen Hexapolfeld in der Quelle eingeschlossen und durch Mikrowellenleistung nach dem Zyklotron-Resonanz-Prinzip auf hohe Energien beschleunigt. Bei der Entwicklung von Ionenquellen für hochgeladene Ionen verfolgt man das Ziel hohe Strahlströme bei höchsten Ladungszuständen und guten Strahlqualitäten (kleine Emittanzen) zu erreichen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Extraktion von Ionenstrahlen aus einem EZR-Plasma mit Hilfe eines intensiven Elektronenstrahls untersucht. Die hochgeladenen Ionen werden durch einen Potentialtopf im Plasma gehalten und können nur durch Abschalten der Mikrowellenleistung extrahiert werden (Afterglow-Effekt). Durch die Injektion eines intensiven Elektronenstrahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma, soll lokal ein negativer Raumladungskanal erzeugt werden, durch den die hochgeladenen Ionen dem Potentialtopf entkommen können. Die Elektronen laufen dabei in entgegengesetzter Richtung zu den Ionen. Die Ionen erfahren eine anziehende Kraft durch den negativen Raumladungskanal der Elektronen in Richtung Achse und werden dadurch zusätzlich fokussiert. Der negative Raumladungskanal dient auch zur Führung der Ionen, welche durch eine Bohrung in der Kathode extrahiert werden. Durch den Einschuß des Elektronenstahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma können weitere Verbesserungen der Quellenparameter erwartet werden. So z. B. die Erzeugung von Sekundärelektronen zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte, die Vorionisation von neutralen Gasteilchen zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas und damit verbunden, die Verringerung von Ladungsaustauschprozessen zwischen neutralen Teilchen und hochgeladenen Ionen, schließlich die Erzeugung von Festkörperionen durch Verdampfen, insbesondere von Metallen mit hohem Siedepunkt (z. B. Wolfram) und die Verbesserung der Emittanz, da die Ionen durch den Elektronenstrahl näher der Achse geführt werden und dadurch die Ionen mit einem kleineren Strahlradius extrahiert werden. Für die Erzeugung des Elektronenstrahls wurde eine mit Barium imprägnierte Wolfram- Kathode benutzt. Diese besitzt eine Emissionsstromdichte von 1 A/cm2 bei einer Temperatur von 1100°C und einer Oberfläche von 3 cm2. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls werden die magnetischen Felder der beiden EZR-Spulen genutzt. Die magnetischen Feldlinien werden durch passive Abschirmung so geformt, daß diese senkrecht durch die Oberfläche der Kathode stoßen. Die erzeugten Elektronen werden entlang dieser magnetischen Feldlinien geführt. Da die Elektronen in Richtung Plasma beschleunigt werden, laufen diese in ein ansteigendes Magnetfeld, welches für die Fokussierung und Kompression des Elektronenstrahls sorgt. Um die Leistung des Elektronenstrahls zu vernichten, wurde ein wassergekühlter Kollektor auf der Gaseinlaßseite in der Quelle installiert. Dieser übernimmt außerdem die disk-Funktion, zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte. Er besteht aus ferromagnetischen Material (Reineisen) und sorgt somit für eine Verbesserung des Jochschlusses der Magnetfeldspulen und für eine Verbesserung des Spiegelverhältnisses auf der Gaseinlaßseite von 2.9 auf 3.8. Beim ersten Testeinbau des neuen Extraktionssystems, bei dem der wassergekühlte Kollektor und damit die disk fehlte, wurde die Arbeitsfähigkeit der Elektronenkanone in der Umgebung der arbeiteten EZR-Ionenquelle demonstriert. Die Kathode wurde mit ihrer Orginalbohrung von 1 mm Durchmesser eingesetzt, wodurch die Ionenströme um bis zu einem Faktor 1000 im Vergleich zu den herkömmlich gemessenen Ionenströmen reduziert wurden. Durch das Fehlen der disk zeigen die aufgenommenen Ladungsspektren einen Intensitätsabfall zu hohen Ladungszuständen hin. Dennoch konnte gezeigt werden, daß mit Elektronenstrahl wesentlich höhere Ionenströme erreicht werden, als im Betrieb ohne Elektronenstrahl. Mit dem Einbau eines wassergekühlten Kollektors und der Vergrößerung der Kathodenbohrung auf 3 mm Durchmesser konnten die Ionenströme im Maximum bei Ar8+ auf 25 mA gesteigert werden, so daß nur noch ein Faktor 4 bis zu den besten Ergebnissen der Quelle fehlt. Da jedoch durch die 3 mm Kathodenbohrung die Emittanz des Ionenstrahls besser ist als mit dem herkömmlichen Extraktionssystem, wäre ein Vergleich der Brillanzen nötig, um genaue Aussagen über die Qualität des Elektronenstrahl- Extraktionssystems zu machen, jedoch fehlte hierzu eine Emittanz-Meßanlage. Die Ladungsverteilung zeigt auch wieder den gewöhnlich Verlauf mit dem Maximum bei Ar8+. Vergleicht man nun die Ladungsspektren mit unterschiedlichen Mikrowellenleistungen, so zeigt sich bei mittleren Mikrowellenleistungen (700 W) eine überproportionale Erhöhung des Ladungszustandes Ar12+, jedoch eine Reduzierung des Ladungszustandes Ar11+. Untersuchungen bei hohen Mikrowellenleistungen (1700 W), das bedeutet einer höheren Plasmadichte gegenüber den Messungen mit mittleren Mikrowellenleistungen, zeigen ebenfalls, daß der Änderungsfaktor des Ladungszustand Ar12+ größer ist, als der des Ladungszustand Ar11+. Die Ladungsspektren zeigen auch, daß der Elektronenstrahl bei niedrigeren Plasmadichten größere Auswirkung auf die hohen Ladungszustände hat, als bei hohen Plasmadichten. Dies zeigt, daß die Elektronenstrahldichten im Vergleich zur Plasmadichte viel zu gering sind, so daß z. B. der gewünschte Effekt der lokalen Potentialabsenkung nicht einsetzt und die Änderungen in der Ladungsverteilung im wesentlichen auf die Fokussierungseigenschaften des Elektronenstrahls zurückzuführen sind. Hierzu müssen weitere Untersuchungen mit höheren Elektronenstrahldichten vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang sind auch Untersuchungen zur Größe des nutzbaren Ionenreservoirs im Plasma (z. B. durch Afterglow-Effekt) an der Frankfurter EZR-Ionenquelle notwendig.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Protonen an im Raum ausgerichteten D2-Molekülen gestreut. Ziel war es nach möglichen Interferenzstrukturen in der Streuwinkelverteilung der Projektile zu suchen. Solche Interferenzstrukturen sind durch die Theorie vorhergesagt. Sie sind in Analogie zur Beugung am Doppelspalt ein Ergebnis der kohärenten Streuung des Projektils an den beiden Kernen des D2-Moleküls. Für den Reaktionskanal des Elektroneneinfangs mit gleichzeitiger Dissoziation des Moleküls mit einer Energie zwischen 4 und 7eV zeigen die experimentellen Daten tatsächlich ein Minimum an etwa der vorhergesagten Stelle. Dieses Minimum variiert mit der Orientierung der Molekülachse allerdings nicht ganz, wie aufgrund der Analogie zum Doppelspalt zu erwarten ist. Für den gleichzeitig im Experiment beobachteten Kanal der Transferionisation, der zu einer Fragmentenergie von etwa 9eV führt, wurden im Experiment keine Modulation der Streuverteilung beobachtet. Der beobachtete Reaktionskanal der Dissoziation wirft weitere Fragen auf, die über das einfache Doppelspalt-Bild hinausgehen. So kann das dissoziierende D2-Ion sowohl in einem geraden als auch in einem ungeraden Zustand seiner elektronischen Wellenfunktion zurückbleiben. Diese Symmetrie der elektronischen Wellenfunktion beeinflusst ebenfalls die Phase der gestreuten Welle. Eine zuverlässige Vorhersage des zu erwartenden Kontrastes des Interferenzmusters hängt von der relativen Stärke der Anregung in den geraden und ungeraden Zustand ab. Dieser Effekt ist bisher nicht in den theoretischen Modellen berücksichtigt. Diese Frage kann aber auch durch weitere Experimente geklärt werden. Im Rahmen einer anderen Diplomarbeit [Wim04] wurde ein sehr ähnliches Experiment vermessen: Ein einfach geladenes Wasserstoffmolekülion wird beschleunigt, stößt mit einem nahezu ruhenden Atom und fängt dabei ein Elektron ein. Durch den Elektroneneinfang geht das Molekül u. a. in einen 1ssu-Zustand über, der zur Dissoziation führt. Genau wie in diesem Experiment auch, kann dadurch die Molekülachse festgehalten werden. Betrachtet man in der Auswertung die Bewegung beider Teilchen in inverser Kinematik, d.h. lässt man das neutrale Atom auf das Molekül zufliegen, so zeigen sich in der Impulsverteilung des Rückstoßions (Atomions) Minima und Maxima, deren Position sich mit der Drehung des Moleküls ändert. Dies bestätigt eigentlich die Existenz von Interferenzen. Nur wird hier, wie bereits gesagt, die inverse Kinematik betrachtet, zudem vermisst man eigentlich den umgekehrten Übergang vom 1ssg-Zustand des Molekülions in den 1ssu-Zustand des Moleküls. Um theoretische Berechnungen jedoch direkt zu bestätigen, ist es durchaus erstrebenswert, die Kinematik wie hier in dem hier vorgestellten Experiment zu vermessen. Aus diesem Grund werden in nächster Zeit noch weitere Messungen vorgenommen, in denen mit gleichem Aufbau, jedoch mit einer niedrigeren Projektilenergie (10 keV - 25 keV), die gleiche Reaktion untersucht wird. Mit der niedrigeren Energie des Projektils soll eine sehr viel bessere Streuwinkelauflösung erreicht werden, so dass sie die Beobachtung möglicher Interferenzen definitiv nicht mehr begrenzt. Dadurch können zum einen die Ergebnisse dieser Arbeit auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Wenn tatsächlich Interferenzstrukturen zu beobachten sind, zeigen zum anderen eventuelle Veränderungen, ob eine Analogie zum Doppelspalt gerechtfertigt ist.
Mit zunehmender Automatisierung - sowohl der industriellen Herstellungsverfahren, als auch ihrer Produkte - hat die Regelungstechnik stark an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip der Regelung jedoch ist schon lange bekannt. Erste Anwendungen finden sich bereits in der Antike (230 v.Chr. Philon von Byzanz, Schwimmerregelung für Öllampen). Das wohl prominenteste Beispiel ist der Drehzahlregler für Dampfmaschinen, den James Watt 1788 konstruierte. Eine Theorie des Regelkreises wurde dagegen erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt. Damit war der Weg für den verbreiteten Einsatz von Regelungstechnik geebnet. Aber ihre Bedeutung geht über die rein technischen Prozesse hinaus, indem sich die Theorie der Regelkreise auch zur Untersuchung nichttechnischer zum Beispiel biologischer oder gesellschaftlicher Prozesse anwenden läßt. Viele dieser Prozesse laufen nach dem Prinzip der Regelung ab, denn sie werden auch bei Wirkung äußerer Störungen aufrechterhalten. In diesen Bereichen wird allgemeiner von Kybernetik gesprochen [Steinbuch]. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Einführung in die Regelungstechnik gegeben. Daran schließen sich im zweiten Teil Untersuchungen zur Magnetschwebekugel an. Diese theoretischen Betrachtungen sollen als Grundlage für den Aufbau eines Experiments zur Magnetschwebekugel dienen, das im Rahmen des Physikalischen Praktikums für Fortgeschrittene des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Frankfurt geplant ist. Anhand einer von einem Elektromagneten in der Schwebe gehaltenen Kugel werden sich die Teilnehmer und Teilnehmerinnen mit den Prinzipien der Regelungstechnik vertraut machen können. Dieser Versuch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Das System Elektromagnet - Kugel ist ohne Regelung nicht stabil, das heißt die Kugel kann nicht an einem beliebigen Ort unterhalb des Magneten fixiert werden. Dies entspricht auch der Erfahrung. Um so erstaunlicher ist es, wenn der Versuch zu einer Stabilisierung führt. Die verwendeten Methoden entstammen vollständig der Theorie der linearen Regelungen, sodaß der Versuch als elementare Einführung in die Regelungstechnik verstanden werden kann.
Energiezustände in einem Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
(2005)
In dieser Arbeit werden Energiezustände in einem GaAs/Al0:3Ga0:7As-Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Dabei liegt das elektrische Feld F in Wachstumsrichtung an, während das Magnetfeld B senkrecht dazu in der Ebene der Schichten orientiert ist. Es werden die experimentellen Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie angewendet. Die experimentellen Ergebnisse werden sowohl mit theoretischen Berechnungen verglichen als auch mit zeitaufgelösten Daten in Bezug gesetzt. Sowohl in den Elektroreflexions- als auch in den Transmissionsspektren lassen sich je nach relativem Wert des elektrischen und magnetischen Feldes B=F = x drei verschiedene Bereiche unterscheiden. Für kleines x sind Wannier-Stark-Übergänge sichtbar, die sich mit steigendem B-Feld zu höheren Energien verschieben. Die auffälligste Beobachtung ist das Verschwinden der Wannier-Stark-Zustände mit steigendem Magnetfeld: Bei mittlerem x, wenn die magnetische Energie ~!C die Größenordnung der elektrischen Energie ~!B erreicht, beobachtet man einen nahezu strukturlosen Übergangsbereich. Für größere Magnetfeldstärken lassen sich wieder Übergänge identifizieren, die Landau-Charakter besitzen. Die Exzistenz eines strukturlosen Übergangsbereichs unterscheidet die Geometrie gekreuzter Felder wesentlich von der Konfiguration parallel gerichteter Felder (F- und B-Feld in Wachstumsrichtung [5]). Der Übergangsbereich wurde bereits zuvor beobachtet [65], eine Erklärung seines Ursprungs stand jedoch noch aus. Letztere gewinnen wir aus der Zusammenarbeit mit der Theorie: Auf der Grundlage der Modellrechnungen von S. Glutsch und S. Stepanow aus Jena lässt sich feststellen, dass jeder Wannier-Stark-Zustand in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Landau-Zustände aufspaltet. Mit steigendem Magnetfeld verschieben sich diese, wie auch die Wannier-Stark-Zustände, zu höheren Energien, so dass sich eine wachsende Anzahl von Zuständen energetisch annähert. Die Wechselwirkung von Zuständen führt zu vermiedenen Überkreuzungen und damit zu einer Verteilung der Oszillatorstärke, so dass die Stärke jedes einzelnen Zustands abnimmt und einzelne Linien nicht mehr aufzulösen sind. Interessanterweise spielt die Verkürzung der Lebenszeit der involvierten Zustände (homogene Linienverbreiterung) eine untergeordnete Rolle bei der Entstehung des Übergangsbereichs. Auch hinsichtlich anderer Aspekte ist die Übereinstimmung von Theorie und Experiment zufriedenstellend: Die auf Grundlage der Einteilchen-Theorie vorhergesagte energetische Verschiebung der Wannier-Stark- und Landau-Niveaus mit steigendem Magnetfeld kann experimentell mittels Elektroreflexionsmessungen verifiziert werden. Die experimentellen Absorptionsspektren lassen sich direkt mit den theoretischen Absorptionsspektren vergleichen und zeigen die vorhergesagten Energieübergänge. Darüberhinaus sind Fano-Resonanzen als asymmmetrische Linienprofile zu beobachten. Das Zusammenspiel von Theorie und Experiment stellt sich demnach in dieser Arbeit als sehr fruchtbar heraus: Die vorgestellten Experimente leisten der Theorie einen Dienst, indem sie wesentliche theoretische Vorhersagen experimentell verifizieren. Andererseits gewinnt das Verständnis der experimentellen Beobachtungen erst durch theoretische Erkenntnisse sein Fundament. Während der Vergleich von Theorie und Experiment weitgehend abgeschlossen ist [21], wirft der Vergleich der spektral aufgelösten Daten mit zeitaufgelösten Messergebnissen noch ungelöste Fragen auf. Die Dynamik optisch angeregter Wellenpakete lässt sich analog zu den Elektroreflexions- und Absorptionsspektren in ein elektrisch-dominiertes Regime für kleines B=F = x und ein magnetisch-dominiertes Regime für großes x unterteilen. Die beiden Bereiche sind durch einen mittleren x-Wert separiert, bei dem keine kohärenten Oszillationen zu beobachten sind. Dieser Übergang findet entgegen der Erwartung nicht bei dem gleichen x-Wert statt wie in spektral aufgelösten Daten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Befund präzisiert: Absorptionsspektren werden mit TEOS-Spektren (englisch: transmittive electrooptic sampling), Elektroreflexionsdaten mit REOS-Spektren (englisch: reflective electro-optic sampling) verglichen. Sehr deutlich ist die Diskrepanz zu erkennen: In spektral aufgelösten Daten liegt der Übergangsbereich bei größeren x-Werten als in zeitaufgelösten Daten, so dass im spektralen Übergangsbereich wieder langlebige Oszillationen in den zeitaufgelösten Messungen zu beobachten sind. Umgekehrt sind in den spektral aufgelösten Messungen noch deutliche Strukturen erkennbar, wenn am dynamischen Übergang zwischen elektrisch- und magnetisch-dominiertem Regime Oszillationen ausbleiben. Die Experimente dieser Arbeit motivieren demnach die weitere Beschäftigung mit folgenden Problemen: Die Diskrepanz zwischen spektral- und zeitaufgelösten Daten hinsichtlich des Übergangsbereichs muss in Zukunft theoretisch behandelt werden. Es besteht bereits ein Angebot von M. M. Dignam, sich des Problems anzunehmen. Damit verbunden ist die Frage nach der genauen Bedingung für den Übergangsbereich in den spektralen Daten, da die bisherige Bedingung zu grob zu sein scheint. Die Untersuchung von Energiezuständen in Halbleiterübergittern wird auch in Zukunft eine Rolle spielen. Nachdem die Geometrien von parallel und senkrecht orientiertem B und F eingehend behandelt wurden, stellt nun der Fall arbiträrer Feldanordnung eine neue Aufgabe dar. Wenn das Magnetfeld mit dem elektrischen Feld einen arbiträren Winkel einschließt, wird in zeitaufgelösten Messungen eine Kopplung von Magneto-Bloch- und Zyklotron-Oszillationen beobachtet, die sich in einem kohärenten Quasi-DC-Strom und verstärkter Feldabschirmung ausdrückt [58]. Es wäre interessant zu untersuchen, mit welchen spektralen Eigenschaften diese dynamischen Befunde korrespondieren. Hierzu bieten sich die Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie an, die sich in dieser Arbeit als geeignet erwiesen haben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals die Realisierung eines (e,3e)- Experimentes an Helium mittels der Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) behandelt. Dabei ging es hauptsächlich um den Aufbau, die Entwicklung, Test und die Durchführung des Experiments. Dazu wurde ein neues Kammersystem am Atomphysikkanal der Frankfurter EZR mit zweistufigem Ultraschallgasjet aufgebaut, an dem in Zukunft noch weitere COLTRIMS- Experimente stattfinden werden. In dieser Arbeit wurde eine Dreifach-Koinzidenz zwischen dem gestreuten Projektilelektron, dem einfach- oder zweifach geladenem Rückstoßion und dem langsamen Elektron verwirklicht. Sie stellt das wesentliche Ergebnis der vorliegenden Arbeit dar. Koinzident zum Streuwinkel und Energieverlust des Projektilelektrons wurden hierbei Flugzeiten und Auftrefforte rte von He1 - bzw. He2 - Ionen und von einem der ionisierten Elektronen gemessen. Anhand der durchgeführten umfangreichen Eichmessungen unter Hinzuziehung von Impuls- und Energieerhaltungssätzen lassen sich somit sämtliche Impulse der Teilchen errechnen. Somit gewinnt man Informationen über den Ionisationsprozeß. Desweiteren lassen sich multidifferentielle Wirkungsquerschnitte bestimmen, die sich mit theoretischen Modellen vergleichen lassen. Die Rückstoßionenimpulsverteilungen und die Flugzeitspektren für das He2 -Ion demonstrieren die Signifikaz der erreichten Statistik, trotz der geringen Koinzidenzrate von 17 h-1. Die Meßdaten wurden einer groben Auswertung unterzogen. Die entgültige Analyse, Ergebnisdeutung, Interpretation und Vergleich mit der Theorie fand in dieser Arbeit nicht statt. Die Projektilenergie lag bei allen Messungen bei 550 eV. Der Elektronenstrahl wurde, entgegen der vorherrschenden Meinung, mit einem Blendensystem auskollimiert. Im nächsten Schritt sollen statt mit nur einem mit zwei oder mehreren Schlitzblenden nacheinander der Elektronenstrahl auskollimiert werden, so daß die am vorderen Schlitz gestreuten Elektronen in den nachfolgenden ausgeblendet werden können. Somit verringert man die problematische Untergrundrate auf dem Elektronendetektor. Für weitere Untersuchungen werden momentan neue Spektrometerkonzepte entwickelt. Bei der Konzeption des neuen Spektrometers wird der Abstand zwischen Targetzone und Elektronendetektor größer gewählt. Dies verringert zwar den Nachweisraumwinkel für die Elektronen, aber man erreicht dadurch eine Verringerung der Untergrundselektronen. Der Verringerung des Nachweisraumwinkels kann man entgegenwirken, indem man einen großen MCP- Detektor mit 80 mm Durchmesser einsetzt. Der Eintrittsbereich des Projektilstrahls in das Rückstoßionenimpulsspektrometer sollte großzügig gewählt werden, da auf diese Art und Weise verhindert werden kann, daß der Elektronenstrahl die Potentialringe in Eintrittsbereich streift und wohlmöglich unerwünschte Sekundärelektronen erzeugt, die im Extraktionsfeld des Spektrometers auf den Elektronendetektor hin beschleunigt werden und ebenfalls für Untergrund sorgen. Eine Pulsung der Elektronenkanone über die Wehneltspannung vorzunehmen und den Puls als Start oder Trigger für die Datenaufnahme einzusetzen ist nur dann sinnvoll, wenn die Flugzeit der Elektronen um mindestens eine Größenordnung größer ist als die erreichbare Pulslänge. Nach Auskunft unserer Elektronik liegen die erreichbaren Pulslängen bei etwa 5 ns. Aufgrund der notwendigen Stabilität sowohl in der Elektronik als auch in der Kühlung des Kaltkopfes ist eine insgesamt kürzere Meßzeit erstrebenswert.
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.
HADES ist ein hochauflösendes Dielektronenspektrometer, welches derzeit an der GSI in Darmstadt aufgebaut wird. Ziel ist die Messung von Leptonenpaaren, die in schwerioneninduzierten Reaktionen entstehen. Die invariante Masse der Leptonenpaare soll mit einer Genauigkeit von ~ 1% bestimmt werden. Das HADES-Detektorsystem verwendet Vieldraht-Proportionalkammern zur Rekonstruktion der Teilchenspuren. Aus diesen werden in Verbindung mit der Feldinformation des supraleitenden Magneten die Teilchenimpulse gewonnen, welche wiederum in die invariante Masse eingehen. Über die Driftzeit1 werden die genauen Durchstoßpunkte der Teilchenbahnen durch die verschiedenen Ebenen der Driftkammern erhalten. Dazu ist es erforderlich, die Driftgeschwindigkeit der Elektronen im verwendeten Zählgas zu kennen. Änderungen im Mischungsverhältnis des Zählgases (Helium und Isobutan), aber auch Verunreinigungen des Gases (H2O) können die Driftgeschwindigkeit beeinträchtigen. Verunreinigungen (O2) können weiterhin die Effizienz der Driftkammern verschlechtern. Ziel war deshalb der Aufbau eines Monitorsystems, welches auf Änderungen der Gasmischung und auf eventuelle Kontaminationen (im wesentlichen O2 und H2O) sensitiv ist. Zu diesem Zweck wurde ein Driftgeschwindigkeitsmonitor getestet. Er erlaubt eine Messung der Driftgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1% (sigma), allerdings bei anderen elektrischen Feldstärken als in den HADES Driftkammern. Während der einwöchigen Strahlzeit im Mai 2000 wurde die Driftgeschwindigkeit mit dem Prototypen des Driftgeschwindigkeitsmonitors gemessen. Die druckkorrigierte Driftgeschwindigkeit erlaubt Rückschlüsse auf die Gasqualität. Die Messungen ergaben, daß die Ortsauflösung in den HADES Driftkammern nicht von Driftgeschwindigkeitsschwankungen dominiert wird. Eine Extrapolation der Meßergebnisse auf die in den HADES Driftkammern vorherrschenden Feldstärkeverhältnisse ist möglich. Eine relative Signalhöhenmessung ist sensitiv auf den Sauerstoffgehalt des Zählgases bis in den ppm-Bereich. Zwei endgültige Versionen des Driftgeschwindigkeitsmonitors wurden aufgebaut und in das HADES Detektorsystem integriert. Je ein Driftgeschwindigkeitsmonitor wurde am Gasein- und am Gasausfluß aufgestellt, um die Driftgeschwindigkeit dort zu messen und Vergleiche zwischen Frischgas und aus den Kammern ausströmendem ”alten“ Gas zuzulassen. Die Auslese und Datenanalyse des Monitorsystems wurde automatisiert.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer ergänzenden Korrekturmethode auf die bei hohen Multiplizitäten auftretende Ineffizienz des im Rahmen des NA35-Experiments benutzten zentralen Spurdetektors, der NA35-Streamerkammer, sowie die Analyse der damit aufgenommenen Kern-Gold-Ereignisse. Diese, speziell für hohe Multiplizitäten und große Rapiditäten konzipierte Korrekturmethode zeigt im Bereich um Midrapidity gute Übereinstimmung mit den traditionellen Korrekturmethoden als auch mit den Daten des zweiten, zur Streamerkammer komplementären Spurdetektors, der NA35-TPC, für hohe Rapiditäten. Es ist somit eine Erweiterung der Streamerkammerakzeptanz je nach Stoßsystem um 0.5-1 Rapiditätseinheiten gelungen, die eine 4-Pi-Extrapolation auf den vollständigen Phasenraum erlaubt. Die Analyse der damit korrigierten Daten zeigt für die Rapiditätsverteilung der negativen Hadronen eine systematische Verschiebung der gemessenen sowie extrapolierten mittleren Rapidität weg von Midrapidity des Nukleon-Nukleon-Stoßes bei zunehmender Asymmetrie des Stoßsystems. Die Formen der Rapiditätsverteilungen scheinen sich jedoch zu gleichen und die Multiplizität skalierte in etwa mit dem Massenverhältins der Projektilkerne. Ebenso zeigt die spezifische Produktionsrate für negative Hadronen pro partizipierendem Nukleon keine signifikante Projektilabhänigkeit, sie liegt bei ~ 1.7 h-/N part.Protons. Die Rapiditätsverteilungen der Nettoprotonen skalieren oberhalb midrapidity mit der Projektilmasse und deutet auf keine Abhängigkeit des stoppings von der Größe des Projektilkerns hin. Sämtliche Projektilnukleonen scheinen im wesentlich schwereren Targetkern demnach gleichviel Energie zu deponieren (gleich stark abgebremst zu werden). Die Transversalimpulsspektren der Nettoprotonen lassen sich gut durch die Verteilungen thermischer Quellen beschreiben, wobei sich für das Stoßsystem 2d+197Au eine Temperatur der Quelle von ungefähr 160MeV, also im Bereich des Hagedorn-Limits, ergibt. Im Falle der 16O+197Au-Daten ergeben sich Temperaturen größer 200MeV. Diese Arbeit schließt die Akzeptanzlücke zwischen den zwei komplimentären Spurdetektoren im NA35-Experiment und ermöglicht damit die Studie von Schwerionenstößen im nahezu vollständigen Phasenraum für zentrale Kern-Gold-Kollisionen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Produktion positiv und negativ geladener Pionen im System Au+Au bei einer kinetischen Strahlenergie von 1,5 GeV pro Nukleon. Diese Daten wurden im Juli 1998 mit dem Kaonenspektrometer KaoS gemessen. Es liegen Pi-Minus-Spektren bei drei verschiedenen Laborwinkeln (Theta Lab = 40°, 48°, 60°) vor sowie Pi-Plus-Spektren bei fünf Laborwinkeln(Theta Lab = 32°, 40°, 48°, 60°, 71,5°). Die Spektren können als Funktion der Energie im Nukleon-Nukleon-Schwerpunktssystem mit der Summe zweier Boltzmannverteilungen beschrieben werden, deren Steigung sich ebenso wie der unter Annahme isotroper Emission im Schwerpunktssytem integrierte Wirkungsquerschnitt mit dem Laborwinkel ändert. Als mögliche Ursache dieses Verhaltens wird untersucht, ob eine polare Anisotropie der Emission vorliegt. Eine solche wurde in früheren Experimenten [49, 50] für die Pionenproduktion in Proton-Proton-Stößen gefunden und als Effekt der p-Wellen-Produktion von Pionen interpretiert, bei der als Zwischenschritt eine Resonanz, zumeist eine Delta-Resonanz, angeregt wird. Die Zerfallskinematik dieser Resonanzen bewirkt duch ihren Drehimpuls eine Winkelverteilung der emittierten Pionen [24]. In Kern-Kern-Stößen führt die Abschattung von Pionen durch nicht an der Reaktion teilnehmende Nukleonen zu einer zusätzlichen Richtungsabhängigkeit der Emission. Unter der Annahme, daß Energie- und Winkelabhängigkeit separierbar sind, wird in einem einfachen Modell der Winkelanteil des differentiellen Wirkungsquerschnitts als Funktion des Kosinus des Schwerpunktswinkels mit einer Parabelform beschrieben. Um den Anpassungsparameter a2, der die Stäke der Anisotropie quantifiziert, zu ermitteln, stehen zwei Methoden zur Verfügung, die simultane Anpassung der bei festem Laborwinkel gemessenen Spektren und der Vergleich mit einer durch Schnitte durch die Laborimpulsspektren erzeugten Verteilung bei Theta cm = 90°. Beide Verfahren ermitteln erfolgreich den Anisotropieparameter aus in einer Monte-Carlo-Simulation erzeugten Spektren mit parabelförmiger Winkelverteilung. Die mit beiden Methoden ermittelten a2-Werte stimmen für Pi+ wie für Pi- im Rahmen der Fehler überein. Die Winkelverteilung der Pi+ ist mit a2 = 0,7 +- 0,1 stärker ausgeprägt als die der Pi- mit a2 = 0,4 +- 0,1, beide werden bevorzugt unter Theta cm = 0° und Theta cm = 180° emittiert. Allerdings zeigt sich in beiden Methoden eine starke Abhängigkeit von der Phasenraumabdeckung der Daten und beide sind nicht geeignet, eine Abhängigkeit des Anisotropieparameters von der Pionenenergie zu ermitteln....
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.
Beim zentralen Stoß zweier ultrarelativistischer Schwerionen wird ein Zustand extremer Dichte und Temperatur erzeugt, der die Bildung des postulierten Quark-Gluon-Plasmas ermöglichen sollte. Diese neue Phase von Kernmaterie zeichnet sich dadurch aus, daß Quarks und Gluonen ohne den unter Normalbedingungen herrschenden Einschluß in Hadronen frei beweglich sind. Das Experiment NA49 am CERN SPS untersucht Kollisionen von 208Pb-Kernen. Dazu wird ein Bleistrahl mit einer Energie von 158 GeV/Nukleon auf ein im Laborsystem ruhendes Bleitarget geschossen. Das Detektorsystem ist auf den Nachweis des hadronischen Endzustands der Reaktion spezialisiert und erlaubt die Messung von mehr als 60% der etwa 2000 produzierten Hadronen. Diese große Zahl von meßbaren Teilchen macht die Untersuchung von Spektren einzelner Ereignisse möglich, die mit dem über alle Ereignisse gemittelten Spektrum verglichen werden können. Damit will man Fluktuationen von Ereignis zu Ereignis, sogenannte Einzelereignisfluktuationen, nachweisen. Um eine von der Unterteilung der Spektren in Bins unabhängige Untersuchung durchführen zu können, wurden die Einzelverteilungen mit Hilfe von Wavelettransformationen in eine Vielskalendarstellung überführt. Durch die anschließende Berechnung von faktoriellen Momenten der Waveletkoeffizienten war daher eine Korrelationsanalyse auf verschiedenen Skalen möglich. Es wurden breit angelegte Simulationen durchgeführt, die quantitative Aussagen über das Verhalten der faktoriellen Waveletmomente bei verschiedenen Arten der Eingangsverteilungen - als Beispiel seien hier flach- und gaußverteilte Spektren genannt - möglich machten. Die Multiplizitätsabhängigkeit der Verteilungsbreite der faktoriellen Waveletmomente der Ordnung q von Ereignissen mit gleichverteilten Einträgen ergab sich so zu einer Gesetzmäßigkeit von der Form sigma q(m) ~ m exp (-q/2). Die Untersuchungen der experimentell erhaltenen p-Spektren zeigten im Rahmen der statistischen Fehler auf keiner Skala eine signifikante Abweichung von den aus Simulationen mit rein zufälligen Einträgen erhaltenen Ergebnissen. Im Vergleich mit Simulationsrechnungen wurde eine obere Grenze für das Auftreten lokaler nichtstatistischer Fluktuationen gesetzt. Solche Fluktuationen werden z.B. in DCC-Modellen vorhergesagt. Die in der Analyse der Waveletmomente festgestellte Abwesenheit lokaler Fluktuationen steht in qualitativer Übereinstimmung mit der Analyse globaler Einzelereignisvariablen (z.B. <p-i->), die ebenfalls auf ein System mit minimalem Korrelationsinhalt hinweisen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp einer Spurendriftkammer mit Mikrostreifenauslese, wie sie als hochauflösende Spurendetektoren in der Kern- und Teilchenphysik zum Einsatz kommen sollen, konstruiert und getestet. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Signalform und -verteilung, sowie auf dem Langzeitverhalten. Für die verschiedenen Messungen dieser Arbeit wurden die Mikrostreifen-Gasdetektoren in ein Edelstahlrohr eingebaut, das mit einem Vakuumpumpen-System verbunden ist. Durch Evakuieren der Meßapparatur und anschließendes Befüllen mit Zählgas konnten die Detektoren nach kurzer Zeit mit nur geringen Verunreinigungen des Zählgases durch Wasser und Sauerstoff betrieben werden. Als Substrat wurde das Glas S 8900 von Schott verwendet, dessen Leitfähigkeit von rho 1.1 * 10 exp 11 Omega cm durch Elektronenleitung erzeugt wird. Es wurden Mikrostreifen-Platten mit zwei verschiedenen Strukturen untersucht, die sich in der Form der Kathode voneinander unterscheiden. Die Mikrostreifen-Platten haben eine sensitive Fläche von 30 X 40 mm*mm die Breite der Anodenstreifen beträgt 8 mikrometer bei einem Abstand von 1 mm zwischen den Mittellinien von je zwei Anoden. Die Kathoden der Struktur ILL6c bestehen aus einem durchgehenden 400 mikrometer breiten Streifen. Die Kathoden der Struktur ILL6a sind in zwei 8 mikrometer breite Streifen unterteilt, wobei die Gesamtbreite der Kathoden beider Strukturen gleich ist. Die Kopplung des Anodensignals auf die rückseitigen Kathodensegmente (Pads) ist bei der Struktur ILL6a durch die geöffneten Kathoden im Vergleich zur Struktur ILL6c doppelt so groß (51.6% bei einer Glasdicke von 0.45 mm bzw. 31.3% bei 1 mm und 16.9% bei 2 mm. Mit einer gamma-Quelle 55-Fe wurden Untersuchungen von Alterungseffekten durchgeführt, in deren Verlauf an den Anoden eine Ladung von 46 mikroC/cm pro Tag aufgenommen wurde. Simultan wurde ein Draht-Proportionalzähler mit geringerer Rate zur Überwachung der Gasqualität betrieben und damit die Amplitude der Mikrostreifen-Gasdetektoren korrigiert. Die Mikrostreifen-Gasdetektoren konnten bis zu einer Ladung von 125 mikroC/cm in Ar/CH4 bzw. 200 mikroC/cm in Ar/CO2 (90:10) mit einer Energieauflösung von <= 25% (55Fe-Quelle, FWHM) und geringer Variation der Verstärkung betrieben werden. Zur Messung der Breite Theta0 der Kathoden-Ansprech-Funktion (Pad-Response-Funktion) dienten Elektronenspuren, die mit Hilfe einer stark kollimierten Beta-Quelle (90Sr) erzeugt wurden. Die Spuren wurden durch einen 50 cm langen Feldkäfig, der wie die Feldkäfige der NA49-Spurendriftkammern aus aluminisierten Mylarstreifen aufgebaut ist, zur Ausleseebene gedriftet. Auf der Rückseite der Mikrostreifen-Platten befinden sich 1 mm breite Pads mit einem Abstand von 0.5 mm in zwei verschiedenen Anordnungen (isoliert oder mit der Glasrückseite verbunden). Diese Messungen wurden mit verschiedenen Glasdicken durchgeführt: Glasdicke 0.45 mm: theta-0 = 0.51 - 0.94 mm, Glasdicke 1 mm: theta-0 = 0.91 - 1.1 mm, Glasdicke 2 mm: theta-0 = 1.4 mm. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß es mit Hilfe der Mikrostreifentechnologie möglich ist, Spurendriftkammern mit einer kleineren Breite theta 0 der Pad-Response-Funktion zu konstruieren, als es mit konventionellen Draht-Ausleseebenen großflächig machbar wäre. Dadurch kann insbesondere die Zweispurauflösung verbessert werden.
Die Stoßparameterbestimmung, an den zur Zeit im Bau befindlichen bzw. geplanten Schwerionen-Collidern RHIC und LHC ist nicht mehr wie bei Experimenten mit festem Target über die Messung der Summe aller Spektatoren möglich. Am einfachsten sind die neutralen Spektatoren (Neutronen) nachzuweisen. Diese enden bei RHIC jedoch in einem Bereich zwischen den zwei Strahlrohren, der die Größe eines Detektors auf 10 cm Breite und 130 cm Länge beschränkt, was im Vergleich zu der Breite herkömmlicher Kalorimeter, die zur Messung von Spektatoren eingesetzt werden, sehr klein ist. Die Anzahl neutraler Spektatoren kann über deren Gesamtenergie bestimmt werden, da sie im wesentlichen den Strahlimpuls behalten. Am RHIC wird zu beiden Seiten der vier Wechselwirkungszonen je ein Kalorimeter zur Messung der neutralen Spektatoren installiert(d.h. insgesamt 8 Kalorimeter). Diese Kalormeter werden aus Wolfram bestehen und eine Länge von 6 hadronischen Wechselwirkungslängen haben. Zusätzlich sollen mit diesen Detektoren einzelne Neutronen aus Riesenresonanz-Abregungen gemessen werden. Über die Rate der Koinzidenz dieser einzelnen Neutronen auf beiden Seiten der Wechselwirkungszone soll die Luminosität des Beschleunigers bestimmt werden. An die Detektoren wurde in erster Line die Forderung nach einer Energieauflösung von ca 20% gestellt, um das Signal der einzelnen Neutronen vom Untergrund trennen zu können. Für die Messung der neutralen Spektatoren, deren erwartete Anzahl im Bereich von ~ 10 - 40 liegt, ist die Energieauflösung nicht so kritisch. Fluktuationen in der Signalhöhe des Detektors werden durch die Messung mehrerer Neutronen zum Teil kompensiert, die Energieauflösung skaliert mit der Anzahl der Neutronen Nn wie 1/sqrt(Nn). Weiterhin wurde die Forderung einer Zeitauflösung theta < 300 ps gestellt. Dies ist zum einen nötig, um bei der Messung der korrelierten Emission einzelner Neutronen zur Luminositätsbestimmung zufällige Koinzidenzen zu vermeiden. Weiterhin kann der Ort der Wechselwirkung über eine Laufzeitmessung der Spektatoren zu beiden Seiten des Wechselwirkungspunktes auf einige cm genau bestimmt werden. Eine neue Kalorimeter-Bauform, das Cherenkov-Licht-Kalorimeter, ermöglicht es hadronische Kalorimeter mit geringen lateralen Ausmaßen zu konstruieren, da nur der zentrale Teil des hadronischen Schauers zum Signal beiträgt. Cherenkov-Licht-Kalorimeter bestehen aus einem Absorbermaterial und darin eingebrachten Lichtleitern, in denen relativistische geladene Teilchen des Schauers Cherenkov-Strahlung erzeugen. Es wurden zwei Prototypen aus Kupfer bzw. Wolfram mit PMMA-Lichtleitern am SPS (CERN) im 100 GeV/c- und 158 GeV/c-Protonstrahl getestet. Beide Prototypen haben eine Länge von 8 hadronischen Wechselwirkungslängen Lambda I und einen Querschnitt von 10 x 10 cm*cm. Das Kupferkalorimeter ist longitudinal in 8 Module zu je a Lambda I Länge unterteilt, das Wolframkalorimeter besteht aus 4 Modulen von je 2 Lambda I Länge. Die Lichtleiter laufen bei beiden Prototypen unter 45 Grad relativ zur Strahlachse. In früheren Untersuchungen von Gorodetzky et al. wurde festgestellt, daß in dieser Anordnung, das maximale Signal erzeugt wird. Die Energieauflösung des Kupferkalorimeters beträgt 21.8 +- 0,5% RMS/E bei 100 GeV/c Strahlimpuls. Das Wolframkalorimeter hatte im 100 GeV/c-Protonstrahl eine Energieauflösung von 20.5 +- 0.5% RMS/E. Bei beiden Prototypen wurde eine Zeitauflösung von theta < 200 ps gemessen.
Untersuchungen des elektrischen und magnetischen Feldes in den NA49-TPCs mit Hilfe von Laserspuren
(1997)
Das Experiment NA49 am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik (CERN) in Genf dient der Erforschung von relativistischen Schwerionenkollisionen. Dieses Feld der Kernphysik hatte seine Anfänge erst in den 70er Jahren am BEVALAC in Berkeley und untersucht zur Zeit Schwerionenstöße von einigen hundert MeV/Nukleon bis 200 GeV/Nukleon. Nach den heuteüblichen Experimenten mit festem Target sollen in der Zukunft Colliderexperimente mit Schwerionen neue Energiebereiche erschließen. Während die Experimente dadurch erleichtert werden, daß sie zumeist auf bestehende Beschleunigeranlagen aus der Hochenergiephysik zurückgreifen können, ist die theoretische Beschreibung relativistischer Schwerionenstöße ausgesprochen problematisch. Vom Verständnis dieser Reaktionsmechanismen erhoff t man sich aber einen Zugang zur starken Wechselwirkung bei niedrigen Impulsüberträgen, insbesondere in ausgedehnten Systemen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Messung der Elektronen-Driftgeschwindigkeit in dem Gasgemisch Ne/CO2 (90% / 10 %). Durchgeführt wurde sie zur Optimierung der Spurendriftkammer des ALICE-Projektes am CERN. Mit dem Aufbau zur Driftgeschwindigkeitsmessung läßt sich eine Genauigkeit von 1‰ erzielen. Untersucht wurden mit diesem Anspruch die Abhängigkeiten von der Temperatur, von CO2 Konzentrationsänderungen sowie von Stickstoffzugabe. Für die genaue Messung der Driftgeschwindigkeit wurde eine kleine Driftkammer gebaut. Die Ionisation des Gases erfolgt mit Hilfe eines UV-Lasers, dessen Strahl zunächst aufgeweitet, und dann geteilt wird. Der Abstand der so erhaltenen zwei Laser-Strahlen wird mit Hilfe von zwei präzisen Doppelblenden definiert. Zur Kontrolle der Gaszusammensetzung und -qualität wurde eine Gasanalysestation zusammengestellt. Die aufgenommenen Daten werden über ein ADC-System auf einem Computer gespeichert. Damit können in der Analyse die Driftgeschwindigkeitsdaten mit den Gasdaten zeitgleich ausgewertet werden. Das wird u.a. für die Korrektur der Daten auf den momentanen Druck und die Temperatur des Gases benötigt. Die Driftgeschwindigkeit wurde bei Feldstärken von 100 - 900 V/cm in Schritten von 100 V/cm gemessen. Die Spurendriftkammer des ALICE-Experimentes soll bei einer Feldstärke von 400 V/cm arbeiten. Die dafür gemessenen Ergebnisse sind: Temperaturabhängigkeit: Bei der erreichbaren Genauigkeit läßt sich über die Abhängigkeit der Driftgeschwindigkeit ve􀀀 von der Teilchenzahldichte N des Gases ve􀀀 = f(E/N) = f(E*T/P) keine weitere Temperaturabhängigkeit feststellen. Die relative Änderung der Driftgeschwindigkeit mit der Temperatur beträgt: Dv400 e􀀀 DT = 3.1 +- 0.23‰ /K CO2-Abhängigkeit: Die relative Änderung der Driftgeschwindigkeit mit dem CO2-Gehalt bei einer CO2- Konzentration um die 10% beträgt: Dv400 e􀀀;CO2 = -7.69 +- 0.39 Eine Erhöhung des CO2-Gehaltes um 1‰ (10.0% -> 10.1 %) führt also zu einer Herabsetzung der Driftgeschwindigkeit um ca. 7.7‰. N2-Abhängigkeit: Die relative Änderung der Driftgeschwindigkeit bei Stickstoffzugabe beträgt Dv400 e􀀀;N2 = - 1.14 +- 0.08 Eine Zugabe von 1‰ N2 zur Driftgasmischung führt damit zu einer Herabsetzung der Driftgeschwindigkeit um ca. 1.1‰ .
Diese Arbeit entstand im Rahmen des Schwerionenexperiments NA49 am CERN. Auf der Suche nach einem neuen Zustand von Kernmaterie, dem Quark-Gluon-Plasma, werden dort im SPS (Super-Proton-Syncrhotron Bleiionen auf eine Energie von 158 GeV pro Nukleon beschleunigt und dann auf eine dünne, im Laborsystem ruhende, Bleifolie (Target) gelenkt. Ziel ist es, in zentralen Stößen zweier Bleikerne ein ausgedehntes Volumen hochkomprimierter und heißer stark wechselwirkender Materie zu erzeugen. Kernmaterie im Grundzustand besitzt eine Dichte von rho o ~ 0,14 Nukleonen pro Kubikfermi. Damit ergibt sich mit der Masse der Nukleonen von etwa 939 MeV/c exp 2 eine Energiedichte im Grundzustand von 130 MeV/fm exp 3. Theoretische Überlegungen im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD, die Eichtheorie der starken Wechselwirkung) sagen voraus, daß sich bei einer Energiedichte von etwa 2-3 GeV/fm exp3 und einer Packungsdichte der hadronischen Materie von 10-15 rho 0 die normalerweise in den Hadronen eingeschlossenen Quarks aus ihren Bindungen lösen. Aufgrund dieses als deconfinement bezeichneten Vorgangs könnte ein Plasma aus freien Quarks und Gluonen entstehen. Die letzteren sind die Eichbosonen der starken Wechselwirkung. Ein solcher Zustand hat einige Mikrosekunden nach dem Urknall exisitiert und wird heute im Innern von Neutronensternen vermutet. Die Lebensdauer dieses hochkomprimierten und heißen Zustands während einer Schwerionenkollision ist mit T * 10 exp -23zu kurz, um direkt beobachtet werden zu können. Daher versucht man, aus den hadronischen Reaktionsprodukten Rückschlüsse auf diesen Zustand zu ziehen. Wichtige Meßgrößen sind die Rapidität y und der Transversalimpuls pT der Teilchen nach der Reaktion. Die Rapidität ist ein Maß für die longitudinale Geschwindigkeit der Teilchen entlang der Strahlrichtung. Aus der Rapiditätsverteilung nach dem Stoß kann man bestimmen, wie stark die Projektilnukleonen abgebremst wurden und wieviel Energie somit in der Reaktionszone deponiert wurde. Ein Großteil dieser Energie wird zur Produktion von Hadronen benutzt. Die Transversalimpulsverteilung dieser Teilchen ähnelt der einer thermischen Verteilung. Damit kann im Rahmen von thermodynamischen Modellen der Reaktionszone (Feuerball) eine Temperatur zugeschrieben werden. Durch Messung von Zwei-Pion-Korrelationen kann auf die Größe des Reaktionsvolumens zum Zeitpunkt der Entkopplung der Hadronen von der Reaktion geschlossen werden. Sowohl die Multiplizität der Hadronen als auch ihre "chemische" Zusammensetzung (z.B. Pion, Kaon oder Lambda) liefern wichtige Randbedingungen für Modellvorstellungen über die Dynamik einer Schwerionenkollision. Dazu ist es notwendig, nicht nur die Anzahl der Hadronen pro Ereignis zu messen, sondern auch diese Teilchen zu identifizieren.
Die vorliegende Diplomarbeit beschreibt den Aufbau und erste Anwendungen einer neuartigen Technik zur Manipulation von Fallenpotentialen für Bose-Einstein-Kondensate. Das Dipolpotential, das ein gegen die atomare Resonanz verstimmter Laserstrahl auf die Atome ausübt, wird hierzu genutzt. Es wurde eine Apparatur aufgebaut, mit der sehr schnelle räumliche Bewegung und gleichzeitige Intensitätsänderung von Laserstrahlen erzielt wird. Durch schnelles Scannen des Laserstrahls in x- und y-Richtung und gleichzeitige Modulation seiner Intensität werden beliebige zeitgemittelte Potentiale erzeugt. Diese Potentiale wurden sowohl als räumliche und/oder zeitliche Modifikation herkömmlicher Magnetfallenpotentiale als auch als eigenständige Fallen mit neuartiger Geometrie verwendet. Mit diesem Aufbau wurden Experimente an Bose-Einstein-Kondensaten durchgeführt, bei denen die große räumliche und zeitliche Auflösung genutzt wurden. Die Speicherung von Atomen in zeitgemittelten, rotverstimmten optischen Fallen verschiedener Geometrie wurde demonstriert und eine durch das Scannen hervorgerufene Aufheizung der Probe wurde gefunden und untersucht. Dies ist die erstmalige Speicherung von Bose- Einstein-Kondensaten in zeitgemittelten Dipolfallen, deren Gestalt im Prinzip frei wählbar ist. Außerdem wurden kollektive Anregungen eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Magnetfalle untersucht, die durch zeitgemittelte optische Potentiale induziert wurden. Der Schwerpunkt dieser Untersuchung waren insbesondere Moden mit hohem Drehimpuls, die in rein magnetischen Fallenpotentialen zuvor nicht angeregt worden waren. Bisherige Limitation von Gleichstrommagnetfallen, in denen nur zylindersymmetrische Moden angeregt werden konnten, wurden durch die Verwendung zeitgemittelten optischen Potentialen zusätzlich zum Magnetfallenpotential umgangen. In einem dritten Experiment konnte der suprafluide Charakter eines Bose-Einstein-Kondensats studiert werden. Die kritische Geschwindigkeit für die Bewegung eines Fremdobjektes duch das Kondensat wurde erstmals gemessen. Als Fremdobjekt diente ein gegen die atomare Resonanz blauverstimmter Laserstrahl, der auf die Atome ein repulsives Potential ausübt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Methode entwickelt,im dreidimensionalen Raum den Strahlverlauf geladener Teilchen durch ein stationäres elektromagnetisches Feld unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenfelder zu bestimmen. Weiterhin wurde gezeigt, wie sich die Genauigkeit der Bahnintegration durch Einführung verbesserter Feldinterpolationsmethoden und verschiedener Integrationsmethoden erhöhen läßt. Dabei zeigte sich, dass die Wahl einer geeigneten Methode zur Feldinterpolation wichtiger ist als die zur Bahnintegration. Die entwickelten Methoden wurden in einer (in der Sprache Java programmierten) Applikation umgesetzt und verwendet, um die Separation von Elektronen aus einem H - Ionenstrahl dreidimensional zu simulieren.