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Im Rahmen des Schwerionenexperimentes NA49 am CERN-SPS (Super-Proton-Synchrotron) wurde für das TPC-Detektorsystem eine Meßapparatur zur hochpräzisen Bestimmung der Driftgeschwindigkeit von Elektronen im TPC-Gas entwickelt. Für die Driftgeschwindigkeitsmessung standen zwei im mechanischen Aufbau verschiedene Driftgeschwindigkeitsmonitore zur Verfügung, zum einen der am CERN entwickelte und gebaute CERN-Monitor und zum anderen der im Rahmen dieser Diplomarbeit an der GSI konstruierte und gebaute Goofie. Mit dem CERN-Monitor wurde der Einfluß der Temperatur und des Druckes auf die Messung untersucht und ein Korrekturverfahren beschrieben, das es erlaubt, die Driftgeschwindigkeit im Detektorsystem der TPCs unter den jeweiligen Experimentbedingungen zu bestimmen. Ferner wurden der Einfluß der Gasverunreinigungen Wasser und Sauerstoff und der Gasbeimischungen Methan und Kohlendioxid auf die Driftgeschwindigkeitsmessung diskutiert. Der statistische Fehler der Driftgeschwindigkeit wurde zu 0.08 % und der systematische Fehler zu 0.13 % bestimmt. Die Zusammensetzung des TPC Gases wurde während der dreißigtägigen Strahlzeit im November '94 anhand der relativen Änderung der Driftgeschwindigkeit überwacht. In die Gasüberwachung ging hier nur der statistische Fehler ein. Es konnten signifikante Gasmischungsänderungen beobachtet und die Änderung in den einzelnen Komponenten ermittelt werden. Die gewonnenen Ergebnisse stehen im Einklang mit den aus der Amplitudenmessung erhaltenen Daten. Die Bestimmung der absoluten Driftgeschwindigkeit beinhaltet den genannten statistischen und systematischen Fehler und weist damit einen Gesamtfehler von 0.15 % auf. Der Gesamtfehler der absoluten Driftgeschwindigkeit ermöglicht eine Bestimmung der absoluten Ortskoordinaten der Teilchentrajektorien in der VTPC bis auf 1000 µm und in der MTPC bis auf 1700 µm. Die Ergebnisse der Driftgeschwindigkeitsmessung wurden anhand der unabhängig aus denDaten des Lasersystems und der Time-of-Flight-Messungen gewonnenen Driftgeschwindigkeitsdaten diskutiert. Anhand von Transversalimpuls und Rapidiätsverteilungen in der VTPC wurde der Einfluß der Driftgeschwindigkeit auf die TPC-Auswertung gezeigt. Es wurden Vergleichsmessungen zwischen dem CERN-Monitor und Goofie durchgeführt, die gezeigt haben, daßbeide Systeme den gestellten Anforderungen entsprechen.
Using CORSIKA for simulating extensive air showers, we study the relation between the shower characteristics and features of hadronic multiparticle production at low energies. We report about investigations of typical energies and phase space regions of secondary particles which are important for muon production in extensive air showers. Possibilities to measure relevant quantities of hadron production in existing and planned accelerator experiments are discussed.
The knowledge of the build up time of space charge compensation (SCC) and the investigation of the compensation process is of main interest for low energy beam transport of pulsed high perveance ion beams under space charge compensated conditions. To investigate experimentally the rise of compensation an LEBT system consisting of a pulsed ion source, two solenoids and a drift tube as diagnostic section has been set up. The beam potential has been measured time resolved by a residual gas ion energy analyser (RGA). A numerical simulation for the calculation of self-consistent equilibrium states of the beam plasma has been developed to determine plasma parameters which are difficult measure directly. The results of the simulation has been compared with the measured data to investigate the behavior of the compensation electrons as a function of time. The acquired data shows that the theoretical rise time of space charge compensation is by a factor of two shorter than the build up time determined experimentally. In view of description the process of SCC an interpretation of the gained results is given.
High perveance negative ion beams with low emittance are essential for several next generation particle accelerators (i. g. spallation sources like ESS [1] and SNS [2]). The extraction and transport of these beams have intrinsic difficulties different from positive ion beams. Limitation of beam current and emittance growth have to be avoided. To fulfill the requirements of those projects a detailed knowledge of the physics of beam formation the interaction of the H- with the residual gas and transport is substantial. A compact cesium free H- volume source delivering a low energy high perveance beam (6.5 keV, 2.3 mA, perveance K= 0.0034) has been built to study the fundamental physics of beam transport and will be integrated into the existing LEBT section in the near future. First measurements of the interaction between the ion beam and the residual gas will be presented together with the experimental set up and preliminary results.
For investigation of space charge compensation process due to residual gas ionization and the experimentally study of the rise of compensation, a Low Energy Beam Transport (LEBT) system consisting of an ion source, two solenoids, a decompensation electrode to generate a pulsed decompensated ion beam and a diagnostic section was set up. The potentials at the beam axis and the beam edge were ascertained from time resolved measurements by a residual gas ion energy analyzer. A numerical simulation of self-consistent equilibrium states of the beam plasma has been developed to determine plasma parameters which are difficult to measure directly. The temporal development of the kinetic and potential energy of the compensation electrons has been analyzed by using the numerically gained results of the simulation. To investigate the compensation process the distribution and the losses of the compensation electrons were studied as a function of time. The acquired data show that the theoretical estimated rise time of space charge compensation neglecting electron losses is shorter than the build up time determined experimentally. To describe the process of space charge compensation an interpretation of the achieved results is given.
Low energy beam transport (LEBT) for a future heavy ion driven inertial fusion (HIDIF [1]) facility is a crucial point using a Bi+ beam of 40 mA at 156 keV. High space charge forces (generalised perveance K=3.6*10-3) restrict the use of electrostatic focussing systems. On the other hand magnetic lenses using space charge compensation suffer from the low particle velocity. Additionally the emittance requirements are very high in order to avoid particle losses in the linac and at ring injection [2]. urthermore source noise and rise time of space charge compensation [3] might enhance particle losses and emittance. Gabor lenses [4] using a continuous space charge cloud for focussing could be a serious alternative to conventional LEBT systems. They combine strong cylinder symmetric focussing with partly space charge compensation and low emittance growth due to lower non linear fields. A high tolerance against source noise and current fluctuations and reduced investment costs are other possible advantages. The proof of principle has already been shown [5, 6]. To broaden the experiences an experimental program was started. Therefrom the first experimental results using a double Gabor lens (DGPL, see fig. 1 ) LEBT system for transporting an high perveance Xe+ beam will be presented and the results of numerical simulations will be shown.
The determination of the beam emittance using conventional destructive methods suffers from two main disadvantages. The interaction between the ion beam and the measurement device produces a high amount of secondary particles. Those particles interact with the beam and can change the transport properties of the accelerator. Particularly in the low energy section of high current accelerators like proposed for IFMIF, heavy ion inertial fusion devices (HIDIF) and spallation sources (ESS, SNS) the power deposited on the emittance measurement device can lead to extensive heat on the detector itself and can destruct or at least dejust the device (slit or grit for example). CCD camera measurements of the incident light emitted from interaction of beam ions with residual gas are commonly used for determination of the beam emittance. Fast data acquisition and high time resolution are additional features of such a method. Therefore a matrix formalism is used to derive the emittance from the measured profile of the beam [1,2] which does not take space charge effects and emittance growth into account. A new method to derive the phase space distribution of the beam from a single CCD camera image using statistical numerical methods will be presented together with measurements. The results will be compared with measurements gained from a conventional Allison type (slit-slit) emittance measurement device.
Investigation of the focus shift due to compensation process for low energy ion beam transport
(2000)
In magnetic Low Energy Beam Transport (LEBT) sections space charge compensation helps to enhance the transportable beam current and to reduce emittance growth due to space charge forces. For pulsed beams the time neccesary to establish space charge compensation is of great interest for beam transport. Particularly with regard to beam injection into the first accelerator section (e.g. RFQ) investigation of effects on shift of the beam focus due to space charge compensation are very important. The achieved results helps to obviate a mismatch into the first RFQ. To investigate the space charge compensation due to residual gas ionization, time resolved measurements using pulsed ion beams were performed at the LEBT system at the IAP and at the CEA-Saclay injektion line. A residual gas ion energy analyser (RGIA) equiped with a channeltron was used to measure the potential destribution as a function of time to estimate the rise time of compensation. For time resolved measurements (delta t min=50ns) of the radial density profile of the ion beam a CCD-camera was applied. The measured data were used in a numerical simulation of selfconsistant eqilibrium states of the beam plasma [1] to determine plasma parameters such as the density, the temperature, the kinetic and potential energy of the compensation electrons as a function of time. Measurements were done using focused proton beams (10keV, 2mA at IAP and 92keV, 62mA at CEA-Saclay) to get a better understanding of the influence of the compensation process. An interpretation of the acquired data and the achieved results will be presented.
Influence of space charge fluctuations on the low energy beam transport of high current ion beams
(2000)
For future high current ion accelerators like SNS, ESS or IFMIF the beam behaviour in low energy beam transport sections is dominated by space charge forces. Therefore space charge fluctuations (e. g. source noise) can drastically influence the beam transport properties of the low energy beam transport section. Losses of beam ions and emittance growth are the most severe problems. For electrostatic transport systems either a LEBT design has to be found which is insensitive to variations of the space charge or the origin of the fluctuations has to be eliminated. For space charge compensated transport as proposed for ESS and IFMIF the situation is different: No major influence on beam transport is expected for fluctuations below a cut-off frequency given by the production rate of the compensation particles. Above this frequency the fluctuations can not be compensated by particle production alone, but redistributions of the compensation particles helps to compensate the influence of the fluctuations. Above a second cut-off frequency given by the density and the temperature of the compensation particles their redistribution is too slow to reduce the influence of the space charge fluctuations. Transport simulations for the IFMIF injector including space charge fluctuations will be presented together with a determination of the cut-off frequencies. The results will be compared with measurements of the rise time of space charge compensation.
Vortrag gehalten am 12. Januar 2005 in Frankfurt am Main, am Physikalischen Verein, anläßlich der Verleihung des Philipp-Siedler-Wissenschaftspreises an Dipl.-Phys. Christine Meurer, als Anerkennung für ihre Diplomarbeit "Xi- und Xi+ Produktion in Pb+Pb Stößen bei 40 A GeV am CERN SPS" (urn:nbn:de:hebis:30-13740). Am CERN, dem Europäischen Kernforschungszentrum, werden Bleiatomkerne auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Dabei wird die Materie in einer Art Feuerball extrem verdichtet und erhitzt. Unter diesen Bedingungen brechen die Bestandteile der Atomkerne, die Nukleonen, auf und der Blick auf die eigentlichen Bausteine der Materie, die Quarks, wird möglich. Nach der Kollision expandiert der Feuerball und viele neue Teilchen, darunter auch die sogenannten seltsamen Teilchen, entstehen. Ihre Besonderheiten werden im Vortrag diskutiert: Ergebnisse zur Produktion des seltsamen Xi- -Teilchens in Pb+Pb-Stößen bei einer Energie von 40 A GeV werden vorgestellt. Aus dem transversalen Massenspektrum bei mittlerer Rapidität erhält man einen inversen Steigungsparamenter von T Xi- = (210±11±21)MeV . Die Integration des Rapiditätsspektrums liefert eine totale Anzahl der s im gesamten Phasenraum von (2.41 ± 0.15 ± 0.24) Teilchen pro Kollision. Desweiteren wird die Anregungsfunktion des Xi- -Hyperons sowie seine Zentralitätsabhänigkeit bei 40 A GeV diskutiert.
New results on the production of Xi and Omega hyperons in Pb+Pb interactions at 40 A GeV and Lambda at 30 A GeV are presented. Transverse mass spectra as well as rapidity spectra of these hyperons are shown and compared to previously measured data at different beam energies. The energy dependence of hyperon production (4Pi yields) is discussed. Additionally, the centrality dependence of Xi- production at 40 A GeV is presented.
First results on the production of Xi- and Anti-xi hyperons in Pb+Pb interactions at 40 A GeV are presented. The Anti-xi/Xi- ratio at midrapidity is studied as a function of collision centrality. The ratio shows no significant centrality dependence within statistical errors; it ranges from 0.07 to 0.15. The Anti-xi/Xi- ratio for central Pb+Pb collisions increases strongly with the collision energy.
High perveance negative ion beams with low emittance are essential for several next generation particle accelerators (i. g. spallation sources like ESS [1] and SNS [2]). The extraction and transport of these beams have intrinsic difficulties different from positive ion beams. Limitation of beam current and emittance growth have to be avoided. To fulfill the requirements of those projects a detailed knowledge of the physics of beam formation the interaction of the H- with the residual gas and transport is substantial. A compact cesium free H- volume source delivering a low energy high perveance beam (6.5 keV, 2.3 mA, perveance K= 0.0034) has been built to study the fundamental physics of beam transport and will be integrated into the existing LEBT section in the near future. First measurements of the interaction between the ion beam and the residual gas will be presented together with the experimental set up and preliminary results.
A LEBT system consisting of an ion source, two solenoids, and a diagnostic section has been set up to investigate the space charge compensation process due to residual gas ionization [1] and to study experimentally the rise of compensation. To gain the radial beam potential distribution time resolved measurements of the residual gas ion energy distribution were carried out using a Hughes Rojanski analyzer [2,3]. To measure the radial density profile of the ion beam a CCD-camera performed time resolved measurements, which allow an estimation the rise time of compensation. Further the dynamic effect of the space charge compensation on the beam transport was shown. A numerical simulation under assumption of selfconsistent states [4] of the beam plasma has been used to determine plasma parameters such as the radial density profile and the temperature of the electrons. The acquired data show that the theoretical estimated rise time of space charge compensation neglecting electron losses is shorter than the build up time determined experimentally. An interpretation of the achieved results is given.
To fulfil the requirements of ESS on beam transmission and emittance growth a detailed knowledge of the physics of beam formation as well as the interaction of the H- with the residual gas is substantial. Space charge compensated beam transport using solenoids for ion optics is in favour for the Low Energy Beam Transport (LEBT) between ion source and the first RFQ. Space charge compensation reduces the electrical self fields and beam radii and therefore emittance growth due to aberrations and redistribution. Transport of H- near the ion source is negatively influenced by the dipole fields required for beam extraction and e--dumping and the high gas pressure. The destruction of the rotational symmetry together with the space charge forces causes emittance growth and particle losses within the extraction system. High residual gas pressure near the extractor together with the high cross section for stripping will influence the transmission as well as space charge compensation. Therefore a detailed knowledge of the interaction of the residual gas with the beam and the influence of the external fields on the distribution of the compensation particles is necessary to reduce particle losses and emittance growth. Preliminary experiments using positive hydrogen ions for reference already show the influence of dipole fields on beam emittance. First measurements with H- confirm these results. Additional information on the interactions of the residual gas with the beam ions have been gained from the measurements using the momentum and energy analyser.
Vortrag gehalten an der Tagung "The XVI International Conference on Ultrarelativistic Nucleus-Nucleus Collisions, organized by SUBATECH Laboratory", in Nantes, France, 18-24 Juli 2002.
Rapidity distributions for Lambda and anti-Lambda hyperons in central Pb-Pb collisions at 40, 80 and 158 AGeV and for K 0 s mesons at 158 AGeV are presented. The lambda multiplicities are studied as a function of collision energy together with AGS and RHIC measurements and compared to model predictions. A different energy dependence of the Lambda/pi and anti-Lambda/pi is observed. The anti-Lambda/Lambda ratio shows a steep increase with collision energy. Evidence for a anti-Lambda/anti-p ratio greater than 1 is found at 40 AGeV.
The experiment NA49 at the CERN SPS is a large acceptance detector for charmed hadrons. The identification of neutral strange hadrons Lambda and AntiLambda is based on the measurement of their charged decay particles and the reconstruciton of the decay vertex. The charged particles were measured with the 4 time projection chambers (TPC), two of them are situated inside 2 large dipole magnets, the two others are downstream of the magnet. Lambda and AntiLambda baryons have been measured in central Pb+Pb collisions at 40, 80 and 160 GeV/nucleon over a wide range in rapidity (1 - 5) and transverse momentum (0 - 3 GeV/c). Particle yields and spectra will be shown for the different energies. The results will be put into the existing systematics of Lambda-production as a function of beam energy.
In this paper we present recent results from the NA49 experiment for Lambda and Lambda hyperons produced in central Pb+Pb collisions at 40, 80 and 158 A GeV. Transverse mass spectra and rapidity distributions for Lambda are shown for all three energies. The shape of the rapidity distribution becomes flatter with increasing beam energy. The multiplicities at mid-rapidity as well as the total yields are studied as a function of collision energy including AGS measurements. The ratio Lambda/pi at mid-rapidity and in 4 pi has a maximum around 40 A GeV. In addition, Lambda rapidity distributions have been measured at 40 and 80 A GeV, which allows to study the Lambda Lambda ratio.
Zielsetzung der ultrarelativistischen Schwerionenphysik ist es, hoch verdichtete und stark erhitzte Kernmaterie (gemeint ist hierbei nicht nur die Materie der Atomkerne, sondern allgemein stark wechselwirkende Materie) im Labor zu erzeugen und deren Eigenschaften zu untersuchen. Gitter-QCD Rechnungen sagen bei einer kritischen Energiedichte von 1-2 GeV/fm3 einen Übergang der hadronischen Materie in eine partonische Phase, dem Quark-Gluon-Plasma, voraus. Neben anderen Observablen wurde die Seltsamkeitsproduktion als mögliche Signatur für den Materiezustand quasifreier Quarks und Gluonen vorgeschlagen. Im Vergleich zu elementaren Nukleon-Nukleon-Reaktionen beobachtet man in Schwerionenkollisionen generell eine Überhöhung der Seltsamkeitsproduktion. Inwieweit dieser Unterschied bei allen Schwerpunktenergie auf rein hadronische Phänomene zurückgeführt werden kann, oder ob partonische Gleichgewichtseffekte eine wesentliche Rolle spielen, ist derzeit eines der wichtigen Themen der Schwerionenphysik. Antworten auf diese Fragen erhofft man sich aus der Untersuchung der Energieabhängigkeit der Erzeugung seltsamer Hadronen. Die NA49 Kollaboration hat deshalb am CERN-SPS ein Energie-Scan Programm aufgelegt, in dem zentrale Blei-Blei-Kollisionen bei 40, 80 und 158 A·GeV untersucht wurden. In dieser Arbeit wird die Produktion von Lambda und Antilambda Hyperonen bei den drei verschiedenen Strahlenergien untersucht. Lambda Hyperonen, die 30-60% der produzierten s-Quarks enthalten, erlauben neben der Seltsamkeitsproduktion gleichzeitig auch den durch die kollidierenden Kerne erzeugten Effekt der Baryonendichte zu studieren. Das NA49 Experiment führt präzise Messungen des hadronischen Endzustands über einen weiten Akzeptanzbereich durch. Die geladenen Sekundärteilchen werden in vier hochauflösenden Spurdriftkammern gemessen. Neutrale seltsame Teilchen (Lambda, Antilambda und K0s) werden anhand ihrer Zerfallstopologie identifiziert. Die untersuchten Lambda Hyperonen werden über drei Rapiditätseinheiten um den Bereich zentraler Rapidität und mit Transversalimpulsen von 0,4 und 2,5 GeV/c gemessen. Die Temperaturparameter der Lambda und Antilambda Transversalimpulsverteilungen bei zentraler Rapidität sind für die drei Energien im Rahmen der Fehler gleich. Als Funktion der Schwerpunktenergie beobachtet man einen Anstieg des Lambda-Temperaturparameters, was durch eine Erhöhung des kollektiven transversalen Flusses erklärt werden kann. Erste Ergebnisse zur Proton-Produktion zeigen einen ähnlichen Trend. Die Rapiditätsverteilungen der Lambda sind breiter als die der Antilambda-Hyperonen. Die Lambda Rapiditätsverteilung verbreitert sich mit ansteigender Schwerpunktenergie von einer bei zentraler Rapidität konzentrierten Verteilung bei 40 A·GeV zu einem flachen Verlauf bei 158 A·GeV. Die Lambdas enthalten Beiträge der extrem kurzlebigen Sigma 0, die elektromagnetisch in ein Lambda und ein Photon zerfallen. Die in der Analyse selektierten Lambda und Antilambda sind aufgrund der gewählten Qualitätskriterien nahezu frei von Beiträgen mehrfachseltsamer Baryonen. Der systematische Fehler der Spektren konnte zu 9% abgeschätzt werden. Die Korrekturen und die Analyseprozedur wurden durch die Extraktion des K0s Mesons bei 158 A·GeV und den Vergleich dieser Ergebnisse mit denen der geladenen Kaonen überprüft. Man stellt eine gute Übereinstimmung fest. Zusammen mit Ergebnissen bei niedrigeren Energien läßt sich die Anregungsfunktion der Lambda und AntiLambda Hyperonen studieren. Während die Lambda Multiplizität bei mittlerer Rapidität nach dem Anstieg bei niedrigen Energien im SPS-Energiebereich leicht abfällt bzw. die totale Multiplizität saturiert, beobachtet man für die AntiLambda einen stetigen Anstieg als Funktion der Schwerpunktenergie. Das <Lambda>/<Pi>-Verhältnis in Kern-Kern-Kollisionen zeigt einen steilen Anstieg im AGS-Energiebereich mit anschließendem Maximum und einem Abfall bei SPS-Energien. Dagegen beobachtet man in Nukleon-Nukleon-Reaktionen eine Saturation dieses Verhältnisses bei etwa der höchsten AGS-Energie. Die Normierung auf die Pionen dient dem Vergleich der Produktionsraten in Kern-Kern-Stößen mit denen der elementaren Systeme und ist unabhängig von der Anzahl der beteiligten Nukleonen. Das Maximum des Lambda/Pi Verhältnisses liegt zwischen 10 und 40 A·GeV, wie es von statistischen Modellen vorhergesagt wird. Die Energieabhängigkeit des Lambda/Pi-Verhältnisses läßt sich dementsprechend gut mit dem Statistischen Modell von Cleymans, Redlich et al. beschreiben. Der generelle Trend des Lambda/Pi Verhältnisses wird von den mikroskopischen Modellen (UrQMD, HSD, RQMD) richtig wiedergegeben, wobei jedoch die Datenpunkte (besonders für 40 A·GeV) unterschätzt werden. Die Vorhersagen des UrQMD- und HSD-Modells für die Lambda Rapiditätsverteilung zeigen sehr gute Übereinstimmung mit den Daten. Die Diskrepanz im Lambda/Pi Verhältnis ist somit auf die überschätzte Pion-Produktion zurückzuführen. Die AntiLambda Produktion wird von dem UrQMD- und RQMD-Modell um mehr als einen Faktor zwei unterschätzt. Die Lambda und Antilambda Produktionsraten für alle drei Energien und die totale K0s Multiplizität bei 158 A·GeV fügen sich in einer statistischen Modellanalyse von Becattini in die Systematik der anderen Teilchen ein. Der Seltsamkeits-Saturationsfaktor gamma s zeigt keine große Änderung als Funktion der Energie. Das AntiLambda/Lambda Verhältnis bei mittlerer Rapidität, das den Paarproduktionsprozess widerspiegelt, steigt rapide von AGS- bis RHIC-Energien an. Der gleiche Trend ist für das ¯p/p Verhältnis beobachtbar. Das AntiLambda/¯p Verhältnis erlaubt das Zusammenspiel der Produktions und Annihilationsprozesse zu studieren. Im SPS-Energiebereich steigt dieses Verhältnis mit abnehmender Schwerpunktenergie leicht an. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit wurden auf der Strange-Quark-Matter Konferenz 2001 [1] und der Quark-Matter Konferenz 2002 [2] vorgestellt und diskutiert.