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Das CBM Experiment konzentriert sich auf die Untersuchung des Phasendiagramms von stark wechselwirkender Materie im Bereich moderater Temperaturen, aber hoher Netto-Baryonendichte. Dabei sollen unter anderem Proben aus dem frühen und hochdichten Stadium des Quark-Gluon Plasmas detektiert werden. Ein Beispiel dafür ist das J/ψ-Meson. Das Vektormeson gilt wegen seiner Eigenschaften und Interaktion mit dem QGP als eine der wichtigen Proben stark wechselwirkender Materie.
In dieser Arbeit wird die Performance der Detektoren anhand einer Simulation in Hinsicht auf die Messung des J/ψ-Mesons studiert. Es werden hierfür unterschiedliche Simulationsansätze verglichen. Die Simulation wird im FairRoot und CbmRoot Framework durchgeführt. Es werden Proton+Gold Kollisionen bei einer Strahlenergie von 30 GeV pro Proton simuliert. Dabei verwenden wir das Standard-Setup des SIS100 für Elektronen. Das J/ψ-Meson wird über den e+e−-Zerfallskanal rekonstruiert. Bei der J/ψ-Rekonstruktion werden zuerst Schnitte gesetzt, mit der ein großer Teil der Teilchenspuren, die nicht aus J/ψ-Zerfällen stammen, aussortiert werden und so der Untergrund verringert wird.
Die Effizienz für Elektronen im Detektor-Setup RICH+TRD+TOF beträgt 65 Prozent. Für das J/ψ-Meson erhalten wir mit den gleichen Detektoren eine Effizienz von 25 Prozent. Das invariante Massenspektrum, das wir aus einer Simulation mit 8,5 Millionen Ereignisse bilden, zeigt uns, dass der hauptsächliche Anteil des Untergrunds aus Pion-Elektron-Kombinationen besteht. Es folgen im e+e−-Zerfallskanal unkorrelierte Elektron-Positron-Kombinationen als der zweitgrößte Beitrag zum Untergrund. Die Statistik ist bei der Full Simulation zu gering, um das J/ψ-Signal extrahieren zu können. Eine Integration liefert uns ein J/ψ Signal von 0,021 bei 8,5 Millionen Ereignisse, d.h. für die Detektion eines J/ψ-Mesons werden ca. 1010 Ereignisse benötigt.
Die Fast Simulation Methode ermöglicht uns in kürzerer Zeit eine größere Menge an Ereignissen zu simulieren. Dazu werden Information aus der Full Simulation entnommen, die als Antwort-Funktionen bezeichnet werden. Die Antwort-Funktionen werden der Fast Simulation übergeben, um so zeitintensive Prozesse in der Simulation überspringen zu können. Zum Zeitpunkt der Arbeit fehlen Pionen, Protonen und Kaonen in den invarianten Massenspektren der Fast Simulation. Das Problem soll in Zukunft behoben werden. Folglich haben wir ein invariantes Massenspektrum mit 85 Millionen simulierten Ereignissen, jedoch ohne Pionen, Protonen und Kaonen. Wir erhalten daher ein signifikantes J/ψ-Signal, allerdings mit einem unrealistisch hohen S/B-Verhältnis. Ein weiteres Ziel, nach der Implementierung der fehlenden Teilchen, soll die nochmalige Extrahierung des J/ψ-Signals mit korrektem Untergrund sein.
In dieser Arbeit wurde die Messung des Flusses von Protonen in Silber-Silber-Kollisionen bei 1:58 AGeV beschrieben. Dabei wurden drei verschiedene Flow Koeffzienten betrachtet, der gerichtete, der elliptische sowie der dreieckige Fluss.
Nachdem die Protonen zunächst anhand ihrer Masse identifziert wurden, wurde die Reaktionsebene rekonstruiert. Nachfolgend wurde das Vorgehen zur Bestimmmung der ersten drei Flow-Koeffzienten v1, v2 und v3 beschrieben. Diese wurden anschließend in Abhäangigkeit des Transversalimpulses und der Rapidität für vier Zentralitätsklassen im Bereich von 0 - 40% Zentralität dargestellt.
Da die Daten ebenfalls Silber-Kohlenstoff Reaktionen enthalten, weisen die Spektren eine Abweichung vom erwarteten Verlauf auf. Daher wurden diese Reaktionen anhand des in Abschnitt 3.1 beschriebenen Energieverhältnisses ERAT abgeschätzt und mit Hilfe eines Cut-Off Werts ausgeschlossen. Die daraus resultierenden Spektren konnten dadurch verbessert werden.
Im Fall der Gold-Gold Strahlzeit aus dem Jahr 2012 konnten neben Daten der hier diskutierten Flow-Koeffzienten v1, v2 und v3 ebenfalls Koeffzienten höherer Ordnung, v4 und v5, sowie Hinweise auf ein Auftreten von v6 gefunden werden.
Ähnliche Analysen könnten im Fall der Daten der Silber-Silber Kollisionen durchgeführt werden. Hier tritt zwar ein quantitativ kleinerer Fluss auf, da es sich bei den kollidierenden Nuklei um ein kleineres System handelt, jedoch treten im Vergleich zu Gold-Gold Kollisionen etwa zweifach so hohe Event-Raten auf. Somit kann mit der in dieser Arbeit beschriebenen Herangehensweise unter Verwendung der Daten der gesamten Strahlzeit untersucht werden, ob Hinweise auf Flow-Koeffzienten höherer Ordnung zu finden sind.
Außerdem sollte bei den bestehenden Ergebnissen eine Korrektur des Effekts der Occupancy des Detektors durchgeführt werden, da dieser wie in Abschnitt 3.2.1 beschrieben zu Verfälschungen des gemessenen Flusses führt. Dieser Effekt wird insbesondere im Fall des gerichteten Flusses v1 deutlich.
Des Weiteren ist eine Abschätzung der systematischen Fehler der Messungen erforderlich.
Dafür kann untersucht werden, welche Auswahlkriterien und Parameter die Messung beeinflussen, beispielsweise die Spurrekonstruktion und -selektion oder die Teilchenidentifikation. Unter Betrachtung der Auswirkungen auf die Ergebnisse der Flow-Koeffzienten kann die Analyse daraufhin mit Variationen dieser Werte durchgeführt werden. Somit kann der Bereich der systematischen Fehler abgeschätzt werden.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung eines neuen Prototypen für den Übergangsstrahlungsdetektor im zukünftigen CBM-Experiment. Da der TRD zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas im Bereich hoher Baryonendichten bei hohen Kollisionsraten besonders schnell sein muss, wurde ein Prototyp mit einem kleinen Gasvolumen ohne Driftbereich entwickelt. Die Geometrie ist jedoch mit einer Reduzierung der Stabilität der Gasverstärkung verbunden, denn das elektrische Feld in der Kammer ist bei den geringen Abständen von Verformungen des dünnen Kathodenfensters abhängig. Daher wurde eine vielversprechende, veränderte Drahtgeometrie eingeführt: zwischen den Anodendrähten wurden zusätzliche Felddrähte positioniert, um das elektrische Feld im Bereich der Gasverstärkung zu stabilisieren.
Der neue Prototyp mit alternierender Hochspanngung und mit einer Dicke von 8 mm sowie einer aktiven Fläche von 15 x 15 cm2 wurde im Labor mit einer 55Fe-Quelle getestet.
Dazu wurden Strommessungen und eine spektrale Analyse für 25 verschiedene Positionen der Quelle vor der Kammer durchgeführt, sowohl mit der neuen Kammer als auch mit einer Standardkammer als Referenz. Die mit der neuen Kammer verbundenen positiven Erwartungen konnten durchweg bestätigt werden. Sowohl für die Strom- als auch für Energiemessung konnte eine signifikante Verbesserung der Stabilität der Gasverstärkung festgestellt werden. Variationen von über 60 % über die verschiedenen Messpunkte für die Standardkammer konnten mit der Kammer mit alternierender Hochspannung auf unter 15 % reduziert werden. Auch bei einer Variation des differentiellen Drucks, der mit der Ausdehnung des Folienfensters verbunden ist, kann das elektrische Feldes mithilfe der Felddrähte stabilisiert werden. Ebenso kann eine Analyse der Energieauflösung für die mit den Prototypen aufgezeichneten Spektren den stabilisierenden Effekt bestätigen. Eine zusätzliche Verbesserung durch das Anlegen einer negativen Spannung an den Felddrähten konnte allerdings nicht beobachtet werden. Ebenso zeigten die Messungen mit einer zweiten Kammer mit asymmetrischer Geometrie, das heißt die Drahtebene wurde in Richtung der hinteren Kathode verschoben, keine weitere Stabilisierung. Messungen der an den Felddrähten influenzierten Ströme zeigen, dass diese etwa bei einem Drittel der Anodenströme liegen, wobei sie für eine Erhöhung der Felddrahtspannung ebenso wie für die Messung mit der asymmetrischen Kammer leicht ansteigen. Die Ströme an den Felddrähten sind mit der Bewegung der Ionen in der Kammer verbunden, die das elektrische Feld stören können. Durch die Einführung der Felddrähte wird sich ein Teil der Ionen zu diesen bewegen, anstelle den Weg durch die Kammer bis zu den Kathoden zurückzulegen.
Die positiven Ergebnisse für die Kammer mit alternierenden Drähten sind nun Ausgangspunkt für weitere Schritte. Größere Kammern mit einer Fläche von 60 x 60 cm2, wie sie auch im finalen Experiment eingesetzt werden, wurden bereits gebaut und in einem gemischten Elektron-Pion-Strahl am PS (Protonsynchrotron) und mit einem Bleitarget am SPS (Super-Proton Synchrotron) am CERN getestet. Dabei wurde die Dicke des Gasvolumens nochmals – auf 7 mm – reduziert, was die Schnelligkeit des Detektors weiter erhöht, allerdings auch die Stabilität der Gasverstärkung wieder auf die Probe stellt. Die Daten werden derzeit ausgewertet. Eine weitere Analyse auf Basis der Padauslese im Labor ist in Planung. Hierbei ist insbesondere die Verteilung eines Signals über die Pads (Pad-Response-Funktion) von Bedeutung, wobei diese von der Bewegung der Ionen und damit von der Geometrie des elektrischen Feldes beeinflusst wird. Die Einführung der Felddrähte spielt hier eine wesentliche Rolle; insbesondere beträgt der Drahtabständ zwischen den Andodendrähten nun 5 mm, während die Abstände bei den vorhergehenden Generationen bei 2-3 mm lagen.
Auch die Signalform ist von Interesse. Die derzeit ebenfalls in Entwicklung befindliche Ausleseelektronik und die Algorithmen zur Datenverarbeitung sind auf die bekannte Signalform eines Standardprototypen ausgerichtet. Eine veränderte Form müsste entsprechend berücksichtigt werden, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Auswertungen in dieser Arbeit zeigen, dass sich die Signalform grundsätzlich nicht von der des Standardprototypen unterscheidet. Wichtig sind auch die Driftzeiten für Elektronen aus der Lawine. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die die Schnelligkeit des Detektors. Mit der Einführung der Felddrähte liegen sie zwar zum großen Teil nach wie vor im Bereich eines Standardprototyen mit entsprechender Dicke des Gasvolumens von 8 mm bei bis zu 150 ns, jedoch folgt dann ein sehr langsamer Abfall mit Elektrondriftzeiten von bis zu 450 ns [47]. Eine Verbesserung ist durch ein kleineres Gasvolumen möglich, für einen Anoden-Kathoden-Abstand von 3 mm sinken die maximalen Driftzeiten auf 300 ns. Eine andere Alternative ist das Anlegen einer negativen Spannung an das Eintrittsfenster.
In dieser Arbeit wurde der spezifische Energieverlust im TOF Detektor genutzt, um leichte Kerne zu identifizieren. Da die gemeinsame Betrachtung aller Szintillatorstäbe bei der aktuellen Kalibrierung des TOF Detektors keine eindeutige Zuordnung ermöglicht, wurde der Energieverlust der einzelnen Stäbe individuell parametrisiert. So konnten Helium und sogar Lithium Kerne selektiert werden. Die Impulskorrektur hat für zweifach geladene Kerne, abgesehen von sehr hohen Impulsen, eine erfolgreiche Korrektur der Masse ermöglicht. Bei Lithium hingegen wurde der Impuls überkorrigiert, sodass die Masse zu niedrig rekonstruiert wurde.
Durch Optimierung der Impulskorrektur könnte zusammen mit einer verbesserten Kalibrierung des TOF Detektors ein sehr hohes Auflösungsvermögen erreicht werden. Daher sollte die systematische Impulskorrektur für hohe Impulse durch weitere Simulationen verbessert und der Energieverlust vor dem Auftreffen auf den META Detektor genauer untersucht werden. Optimalerweise würde zur Kalibrierung des TOF Detektors die Abhängigkeit des Energieverlustes vom Winkel, in welchem die Teilchen auf den Detektor treffen, berücksichtigt werden. Ziel ist es, alle Stäbe pro zurückgelegter Wegstrecke zu kalibrieren, sodass weder ein Unterschied durch den Einfallwinkel der Teilchen noch durch die verschiedenen Stablängen aufkommt. Folglich wäre eine sehr spezifische Teilchenselektion möglich.
In dieser Arbeit wurde zunächst schrittweise das Vorgehen beim Bau der TRD Prototypkammern , sowie die Maßnahmen zur Verbesserung der Kammerstabilität erklärt, um sicherzustellen, dass die erhobenen Messdaten zuverlässig sind. Es ist an dieser Stelle nochmals hervorzuheben, dass bereits kleine Veränderungen in der Bauweise einen großen Einfluss auf die Kammerstabilität haben.
Es wurde mit der Kammer 3 der Anodenstrom, die deponierte Photonenenergie und die Clusterrate gemessen. Anschließend wurden diese Daten ausgewertet und aus den Ergebnissen die Gasverstärkung berechnet. Die Auswertung bestätigt, dass die Kammer im Proportionalbereich betrieben wurde. Nach dem Vergleich der Gasverstärkungsfaktoren der Messung mit den simulierten Werten, zeigt sich dass die Messungen stärker als erwartet von den simulierten Werten abweichen.
Für weitere, genauere Aussagen wäre es interessant die Ergebnisse dieser Arbeit durch modifizierte Messungen zu uberprüfen. Dabei könnte der Einfluss verschiedener Gasdrucke innerhalb und außerhalb der Kammer sowie die Variation der Raumtemperatur auf die Gasverstärkung explizit untersucht werden. Außerdem wäre es von großem Interesse, Messungen mit verschiedenen Ar und CO2 und Xe und CO2 Mischverhältnissen durchzuführen, da der TRD im CBM Experiment mit Xe und CO2 betrieben werden soll, und der Gasverstärkungsfaktor ausschlaggebend für die angelegte Anodenspannung im laufenden Betrieb sein wird.
Das CBM-Experiment konzentriert sich auf die Untersuchung der Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas bei hohen Netto-Baryonendichten und moderaten Temperaturen. An der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR an der GSI findet das Experiment, neben vielen anderen Experimenten, ihren Platz. Der TRD ist, neben dem RICH, STS und TOF, einer der zentralen Detektoren im CBM-Experiment. Der TRD nutzt dabei den physikalischen Effekt der Übergangsstrahlung, die durch ein geladenes Teilchen beim Durchqueren einer Grenze zweier Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit entsteht, um Elektronen von Pionen trennen zu können. Im Jahr 2017 wurde an der DESY 4 TRD-Prototypen in einer Teststrahlzeit getestet. Dabei handelt es sich um große TRD-Module mit den Maßen 95 · 95 cm2 , was dem finalen Design sehr nahe kommt. Die Untersuchung der DESY-Daten in Kapitel 5 brachte große Problematiken in den Daten zum Vorschein. Die Hauptprobleme der DESY-Daten sind: 1) Bug des SPADIC-Chips 2.0, bei der FN-Trigger zeitlich verschoben wurden; 2) schwache und suboptimale Trigger-Bedingung, wodurch sehr viel Rauschen aufgenommen wurde. Die Daten müssen für weitere Auswertung aufbereitet werden, wobei sehr viel Information und Statistik verloren geht, da einige Daten durch diverse Probleme nicht mehr rekonstruierbar sind. Kapitel 6 beschäftigt sich mit der Simulation der Detektorantwort und geht genauer auf die einzelnen Schritte, die zur Simulation des vom SPADIC erzeugten Pulses benötigt werden, ein. Am Ende werden Ergebnisse aus beiden Datensätzen miteinander verglichen. Um einen optimalen Vergleich zu gewähren, wird die Simulation bestmöglich an die Einstellungen in der Teststrahlzeit angepasst. Hauptsächlich geht es um die Erhöhung des Gasgains und der Verschiebung der Peaking-Zeit des Pulses. Im Allgemeinen können wir in der Simulation einige Effekte, die auch in den DESY-Daten vorkommen, nachsimulieren. Wir erhalten zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse in der Simulation, deren Richtigkeit nicht verifiziert werden kann, da die Daten aufgrund der Probleme unzuverlässig werden. Durch die Analyse der DESY-Daten konnten wir die Problematik in den Daten besser verstehen. Eine sinnvolle Anpassung der Simulation wird durch die Unzuverlässigkeit der DESY-Daten unmöglich. Für die Optimierung der Simulation müsste man einen Vergleich mit neueren, zuverlässigeren Daten aus zukünftigen Teststrahlzeiten nehmen.
Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen.
Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet.
Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert.
Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019).
Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden.
Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ.
Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionisation von Atomen und Molekülen in starken Laserfeldern experimentell untersucht. Hierbei kam die COLTRIMS-Technik zur koinzidenten Messung der Impulse aller aus einem Ionisationsereignis stammender Ionen und Elektronen zum Einsatz. Unter Mitwirkung des Autors wurde ein COLTRIMS-Reaktionsmikroskop umgebaut und mit einem neuen Spektrometer sowie einer atomaren Wasserstoffquelle ausgestattet. Des Weiteren entstand ein interferometrischer Aufbau zur Erzeugung von Zwei-Farben-Feldern. Aus jedem der vorgestellten Experimente konnten Informationen über die elektronische Wellenfunktion an der Grenze zum klassisch verbotenen Bereich gewonnen werden. Dies geschah sowohl im Hinblick auf die Amplitude, als auch auf die Phase der Wellenfunktion. Mit dem Wasserstoffatom (Kapitel 9), dem Wasserstoffmolekül (Kapitel 10) und dem Argondimer (Kapitel 11) wurden drei Systeme unterschiedlicher Komplexität gewählt.
Die minoren Aktinoiden dominieren auf lange Sicht die Radioaktivität des gesamten abgebrannten Brennstoffes und können somit, obwohl sie nur etwa 0,2 % davon ausmachen, als die Hauptverursacher der Endlagerproblematik betrachtet werden.
Neben einer möglichen Endlagerung und den damit verbundenen Problemen, bietet die Transmutation eine Alternative im Umgang mit dieser Art der radioaktiven Abfälle. Hierbei werden die minoren Aktinoide durch Neutroneneinfang zur Spaltung angeregt, wodurch sowohl deren Halbwertszeit, als auch deren Radiotoxizität deutlich reduziert werden soll.
Innerhalb des in der vorliegenden Arbeit vorgestellten MYRRHA-Projektes, das im belgischen Mol realisiert werden soll, soll gezeigt werden, dass die Transmutation in einem industriellen Maßstab möglich ist. Bei MYRRHA handelt es sich um ein sog. ADS (Accelerator Driven System), bei dem ein 4 mA Protonenstrahl mit 600 MeV in einem Target aus LBE (Lead-Bismuth Eutectic) per Spallation Neutronen erzeugen soll, die für die Transmutation in einem ansonsten unterkritischen Reaktor notwendig sind. Da eine solche Anlage enorme Ansprüche an die Zuverlässigkeit des Teilchenstrahls stellt, um den thermischen Stress innerhalb des Reaktors so gering wie möglich zu halten, werden auch hohe Ansprüche an die verwendeten Kavitäten innerhalb des Beschleunigers gestellt.
Besonderes Augenmerk muss hierbei auf den Injektor gelegt werden. In diesem wird der Protonenstrahl auf 16,6 MeV beschleunigt, wobei in seinem aktuellen Design nur noch normalleitende Kavitäten verwendet werden.
Als erstes beschleunigendes Bauteil nach der Ionenquelle fungiert hier ein im Rahmen der vorliegenden Arbeit gebauter 4-Rod-RFQ, dessen HF-Design auf dem bereits am IAP getesteten MAX-Prototypen basiert.
Für den MYRRHA-RFQ konnte eine neue Art der Dipolkompensation für 4-Rod-RFQs entwickelt werden, die bereits in anderen Beschleunigern, wie etwa dem neuen HLI-RFQ-Prototypen eingesetzt werden konnte. Hierbei werden die Stützen, auf denen die Elektroden befestigt werden alternierend verbreitert, um so den Strompfad zum niedrigeren Elektrodenpaar zu verlängern, wodurch sich die dortige Spannung erhöht. Im Zuge dieser Entwicklung wurden Simulations- und Messmethoden erarbeitet, um den Dipolanteil sowohl an bereits gebauten, wie auch an zukünftigen 4-Rod-RFQs untersuchen zu können. Der Erfolg dieser neuartigen Dipolkompensation konnte in den Low-Level-Messungen, die sich an den Zusammenbau des MYRRHA-RFQs anschlossen, validiert werden.
Die CH-Sektion, die im MYRRHA-Injektor auf den RFQ und die MEBT folgt, besteht aus insgesamt 16 normalleitenden Kavitäten. Sie gliedert sich in sieben beschleunigende CHs, auf die ein CH-Rebuncher und weitere acht beschleunigende CHs folgen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde - aufbauend auf bereits vorhandenen Entwürfen - das Design der ersten sieben CH-Strukturen des MYRRHA-Injektors erstellt und hinsichtlich seiner HF-Eigenschaften optimiert.
Die dabei während den Simulationen zu CH1 auftretende Problematik einer parasitären Tunermode konnte durch zahlreiche Simulationen umgangen werden.
Weiter wurde das aus der FRANZ-CH bekannte Kühlkonzept überarbeitet, um eine hohe thermische Stabilität gewährleisten zu können, wobei mehrere verschiedene Konzepte entwickelt, simuliert und bewertet wurden.
Das so entwickelte HF- und Kühldesign der ersten sieben MYRRHA-CHs dient als Vorlage für die weiteren MYRRHA-CHs sowie für zukünftige Beschleunigerprojekte, wie etwa HBS am Forschungszentrum Jülich.
Im Anschluss an die Designphase wurden die ersten beiden CH-Strukturen des Injektors und ein zusätzlicher dickschichtverkupferter Deckel für CH1 von den Fimen NTG und PINK gefertigt und anschließend Low-Level-Messungen unterzogen, in denen die Simulationsergebnisse bestätigt werden konnten, während diese Messungen zusätzlich als Vorbereitung für die Konditionierung dienten.
Sowohl der MYRRHA-RFQ, als auch die CH-Strukturen wurden nach ihren jeweiligen Low-Level-Messungen duch eine Konditionierung auf den späteren Strahlbetrieb vorbereitet.\\
Die Konditionierung des MYRRHA-RFQ erfolgte in zwei Phasen. Zunächst wurde er in der Experimentierhalle des IAP im cw-Betrieb vorkonditioniert, bevor er nach Louvain-la-Neuve transportiert wurde. In der dort fortgesetzten Konditionierung, die sowohl gepulst, als auch im cw-Betrieb erfolgte, konnten im Rahmen dieser Arbeit 120 kW cw stabil eingkoppelt werden, wobei diese transmittierte Leistung später noch vom SCK auf bis zu 145 kW cw gesteigert wurde. Nach Abschluss der Konditionierung konnten sowohl vom IAP, als auch vom SCK Röntgenspektren aufgenommen werden, um so die Shuntimpedanz bestimmen zu können. Die Ergebnisse dieser Messungen zusammen mit der alternativen Bestimmung der Shuntimpedanz über den R/Q-Wert wurden ebenfalls in dieser Arbeit besprochen.
Die CH-Kavitäten wurden im Bunker der Experimentierhalle des IAP konditioniert, wobei zusätzlich neue Konditionierungsmethoden erarbeitet und erprobt werden konnten. In den abschließenden Untersuchungen, die sich an jede der drei Konditionierungen anschlossen, konnten Erkenntnisse über das thermische Verhalten der CHs, sowie über den Einfluss verschiedener Verschaltungen des Kühlsystems darauf gewonnen werden, die bei der Installation auch zukünftiger CHs von Nutzen sein werden.
Die Entstehung der Elemente im Universum wird auf eine Vielzahl von Prozessen zurückgeführt, die sowohl in Urknall - als auch in stellaren Szenarien angesiedelt werden. Die Kenntnis der dort ablaufenden Reaktionen und deren Raten ermöglicht es die zugrundeliegenden Modelle einzugrenzen und somit genauere Aussagen über die Plausibilität der Szenarien zu treffen. Ein Teil dieser Prozesse stützt sich auf Neutroneneinfänge an Atomkernen, wodurch die Massezahl des Ausgangskerns erhöht wird.
Die Aktivierungsmethode ermöglicht die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Neutroneneinfangs, sofern der Zielkern eine detektierbare Radioaktivität aufweist. Die experimentelle Untersuchung einer Reaktion mit einem kurzlebigen Produktkern ist eine besondere Herausforderung, da bei langen Aktivierungen zwar viele Einfänge stattfinden, die meisten Produktkerne jedoch schon während der Aktivierung zerfallen. Ein probates Mittel um genügend Zerfälle des Produktkerns beobachten zu können ist die zyklische Aktivierung, wobei die Probe in mehrfachen Wiederholungen kurz bestrahlt und ausgezählt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Anwendungen der zyklischen Aktivierung behandelt.
Eine vom Paul Scherrer Institut Villigen bereitgestellte Probe von 10Be wurde am TRIGA Reaktor der Johannes Gutenberg - Universität Mainz mit Neutronen aktiviert. Über die Cadmiumdifferenzmethode konnte der thermische und der epithermische Anteil der Neutronen separiert werden und dadurch sowohl der thermische Wirkungsquerschnitt als auch das Resonanzintegral für die Reaktion 10Be(n,γ)11Be bestimmt werden.
Am Institut für Kernphysik der Goethe Universität Frankfurt wurde mit einem Van - de - Graaff - Beschleuniger über die 7Li(p,n)7Be Reaktion ein quasistellares Neutronenspektrum mit kBT ≈ 25 keV erzeugt. Für die zyklische Aktivierung von Proben wurde die Infrastruktur in Form einer automatisiert ablaufenden Vorrichtung zur Bestrahlung und Auszählung geplant und umgesetzt. In diesem Rahmen wurden die über das Spektrum gemittelten Neutroneneinfangsquerschnitte für verschiedene Reaktionen bestimmt. Für 19F(n,γ)20F konnte der Gesamteinfangsquerschnitt bestimmt werden. Für die Reaktion 45Sc(n,γ)46Sc wurde der partielle Wirkungsquerschnitt in den 142,5 keV Isomerzustand gemessen. Aus der 115In(n,γ)116In Reaktion konnten die partiellen Querschnitte in die Isomerzustände bei 289,7 keV, 127,3 keV sowie den Grundzustand bestimmt werden.
Außerdem wurde mit einer Hafniumprobe die partiellen Einfangsquerschnitte in den 1147,4 keV Isomerzustand von 178Hf und in den 375 keV Isomerzustand von 179Hf gemessen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Wasserkühlung einer normalleitenden CH-Kavität. Insbesondere stellt sich die Frage, ob die im CST Thermal Steady State Solver simulierten Temperaturen mit Messungen während High Power Tests übereinstimmen. Zusätzlich interessiert, inwiefern die Temperatur über die dissipierte Leistung aus dem CST Eigenmode Solver und dem gemessenen Volumenstrom im Kanal abgeschätzt werden kann. In dem Kontext wird auch geklärt, ob die Reihenschaltung der Mantelkanäle den Kühlanforderungen genügt.
Neben Volumenstrom- und Druckmessungen an den in Reihe und parallelgeschalteten Kanälen werden die Leistungs- und Temperaturwerte der Konditionierung in sämtlichen Simulationen aufgegriffen. Indem die Kavität in einzelne Sektionen unterteilt wird und in diesen die dissipierte Leistung mit dem Eigenmode Solver simuliert wird, die ein Kühlkanal abführt, werden die Temperaturerhöhungen direkt berechnet und verglichen.
Zusammengefasst hat sich der Durchfluss in kritischen Bauteilen wie den Stützen durch die Reihenschaltung der Mantelkanäle erhöht und wird damit empfohlen. Es werden die simulierten Temperaturverteilungen gezeigt. Die Näherung über den Eigenmode Solver liefert erneut für die thermisch belasteten Bauteile wie die Stützen präzise Vorhersagen.
Abschließend werden Erfahrungen aus dem Institut in dieser Arbeit zusammengetragen und die Verwendung des Steady State Solver freigegeben.
Ionenstrahlen werden in der Grundlagenforschung, in der Industrie und der Medizin verwendet. Um die Teilchen für die jeweiligen Anforderungen nutzbar zu machen, werden sie mit Ionenbeschleunigern je nach Anwendung auf eine bestimmte Energie beschleunigt. Eine Beschleunigeranlage besteht dabei aus einer Reihe von unterschiedlichen Elementen: Ionenquellen, Linearbeschleuniger, Kreisbeschleuniger, Fokussierelemente, Diagnosesysteme usw. In jeder dieser Kategorien gibt es wiederum verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, je nach Anforderung des jeweiligen Abschnitts und der gesamten Anlage. Im Bereich der Linearbeschleuniger ist als Bindeglied zwischen Ionenquelle/Niederenergiebereich und Nachfolgebeschleuniger der Radiofrequenzquadrupol (RFQ) weit verbreitet. Dieser kann den aus der Quelle kommenden Gleichstromstrahl in Teilchenpakete (Bunche) formen und diese gleichzeitig auf die nächste Beschleunigerstufe angepasst vorbeschleunigen. Desweiteren wird der Teilchenstrahl innerhalb des RFQ kontinuierlich fokussiert, wodurch insbesondere bei diesen niedrigen Energien Strahlverluste minimiert werden. Bei hohem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis wird für schwere Ionen eine niedrige Resonanzfrequenz von deutlich unter 100 MHz benötigt. Dies führt zu längeren Beschleunigungszellen entlang der Elektroden, womit durch eine bessere Fokussierung auch höhere Strahlströme beschleunigt werden können. Im Allgemeinen bedeutet eine niedrigere Resonanzfrequenz aber auch einen größeren Querschnitt der Resonanzstruktur sowie einen längeren Beschleuniger. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher RFQ-Strukturen für niedrige Frequenzen, wie sie beispielsweise im Linearbeschleunigerbereich der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt Anwendung finden. Zunächst wird die Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und dessen zur Zeit im Bau befindliche Erweiterung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) kurz vorgestellt. Teil dieser Anlage ist der Hochstrominjektor genannte Anfangsbeschleuniger, der wiederum aus einem RFQ und zwei nachfolgenden Driftröhrenbeschleunigern besteht. Dieser Hochstrominjektor dient als Referenz für die vorliegende Arbeit. In Kapitel 3 wird kurz auf Linearbeschleuniger im Allgemeinen und auf das Grundprinzip und die Eigenschaften eines RFQ näher eingegangen. Anschließend werden verschiedene RFQ-Strukturkonzepte vorgestellt und die Strahldynamik in einem RFQ sowie charakteristische Resonatorgrößen beschrieben. Ausgangspunkt ist der aktuelle RFQ des Hochstrominjektors (Kapitel 4). Dieser IH-RFQ mit einer Betriebsfrequenz von 36 MHz ist seit vielen Jahren in Betrieb und soll für eine verbesserte Effizienz und Betriebssicherheit ein Upgrade erfahren. Dazu wurden Simulationen sowohl der bestehenden Struktur als auch mit Modifikationen durchgeführt und diese miteinander verglichen. Zur Entwicklung eines kompakten Resonators werden in Kapitel 5 verschiedene Splitring-RFQ-Modelle als Alternative zur IH-Struktur mittels Simulationen untersucht. Diese wurden für eine niedrigere Frequenz von 27 MHz entworfen, was der Frequenz des ursprünglichen Wideröe-Beschleunigers (Vorgänger des Hochstrominjektors HSI) entspricht und ebenso wie die 36 MHz des IH-RFQ eine Subharmonische der 108 MHz des Folgebeschleunigers ist. Abschließend wurde noch eine neue RFQ-Struktur, der Splitframe-RFQ, entworfen und untersucht. Auch dieser wurde für eine Frequenz von 27 MHz ausgelegt. Die Ergebnisse dieser Entwicklung, die eine Mischung aus einem Splitring- und einem klassischen 4-Rod-RFQ darstellt, befinden sich in Kapitel 6. Alle Feldsimulationen wurden mit dem Programm Microwave Studio von CST durchgeführt. Zusammenfassend werden die verschiedenen Konzepte anhand der charakteristischen Resonatorgrößen verglichen und ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.
Dumme Fragen gibt es nicht
(2022)
Weltweit arbeiten Astrophysiker noch immer mit einer Theorie, die bereits vor rund 100 Jahren aufgestellt wurde – die Einstein’sche Relativitätstheorie. Nahezu jeder hat den genialen Kopf dahinter vor Augen: Albert Einstein. Was aber ist der von Einstein prognostizierte gekrümmte Raum, was sind schwarze Löcher und Neutronensterne und wer sind die Menschen, die auf diesen Gebieten forschen? Luciano Rezzolla, seit Oktober 2013 Professor für Theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität sowie Leiter einer Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, ist einer dieser Forscher.