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We enlarge the so-called extended linear Sigma model (eLSM) by including the charm quark according to the global U(4)r × U(4)l chiral symmetry. In the eLSM, besides scalar and pseudoscalar mesons, also vector and axial-vector mesons are present. Almost all the parameters of the model were fixed in a previous study of mesons below 2 GeV. In the extension to the four-flavor case, only three additional parameters (all of them related to the bare mass of the charm quark) appear.We compute the (OZI dominant) strong decays of open charmed mesons. The results are compatible with the experimental data, although the theoretical uncertainties are still large.
In the presence of a minimal length, physical objects cannot collapse to an infinite density, singular, matter point. In this paper, we consider the possible final stage of the gravitational collapse of "thick" matter layers. The energy momentum tensor we choose to model these shell-like objects is a proper modification of the source for "noncommutative geometry inspired," regular black holes. By using higher momenta of Gaussian distribution to localize matter at finite distance from the origin, we obtain new solutions of the Einstein equation which smoothly interpolates between Minkowski's geometry near the center of the shell and Schwarzschild’s spacetime far away from the matter layer. The metric is curvature singularity free. Black hole type solutions exist only for "heavy" shells; that is, M >= Me, where Me is the mass of the extremal configuration. We determine the Hawking temperature and a modified area law taking into account the extended nature of the source.
There are only 3 methods for the production of heavy and superheavy (SH) nuclei, namely, fusion reactions, a sequence of neutron capture and beta(-) decay and multinucleon transfer reactions. Low values of the fusion cross sections and very short half-lives of nuclei with Z<120 put obstacles in synthesis of new elements. At the same time, an important area of SH isotopes located between those produced in the cold and hot fusion reactions remains unstudied yet. This gap could be filled in fusion reactions of 48Ca with available lighter isotopes of Pu, Am, and Cm. New neutron-enriched isotopes of SH elements may be produced with the use of a 48Ca beam if a 250Cm target would be prepared. In this case we get a real chance to reach the island of stability owing to a possible beta(+) decay of 291114 and 287112 nuclei formed in this reaction with a cross section of about 0.8 pb. A macroscopic amount of the long-living SH nuclei located at the island of stability may be produced by using the pulsed nuclear reactors of the next generation only if the neutron fluence per pulse will be increased by about three orders of magnitude. Multinucleon transfer processes look quite promising for the production and study of neutron-rich heavy nuclei located in upper part of the nuclear map not reachable by other reaction mechanisms. Reactions with actinide beams and targets are of special interest for synthesis of new neutron-enriched transfermium nuclei and not-yet-known nuclei with closed neutron shell N=126 having the largest impact on the astrophysical r-process. The estimated cross sections for the production of these nuclei allows one to plan such experiments at currently available accelerators.
In the framework of an interference setup in which only two outcomes are possible (such as in the case of a Mach–Zehnder interferometer), we discuss in a simple and pedagogical way the difference between a standard, unitary quantum mechanical evolution and the existence of a real collapse of the wavefunction. This is a central and not-yet resolved question of quantum mechanics and indeed of quantum field theory as well. Moreover, we also present the Elitzur–Vaidman bomb, the delayed choice experiment, and the effect of decoherence. In the end, we propose two simple experiments to visualize decoherence and to test the role of an entangled particle.
The HITRAP linear decelerator currently being set up at GSI will provide slow, few keV/u highly charged ions for atomic physics experiments. The expected beam intensity is up to 105 ions per shot. To optimize phase and amplitude of the RF systems intensity, bunch length and kinetic energy of the particles need to be monitored. The bunch length that we need to fit is about 2 ns, which is typically measured by capacitive pickups. However, they do not work for the low beam intensities that we face. We investigated the bunch length with a fast CVD diamond detector working in single particle counting mode. Averaging over 8 shots yields a clear, regular picture of the bunched beam. Energy measurements by capacitive pickups are limited by the presence of intense primary and partially decelerated beam and hence make tuning of the IH-structure impossible. The energy of the decelerated fraction of the beam behind the first deceleration cavity was determined to about 10 % accuracy with a permanent dipole magnet combined with a MCP. Better detector calibration should help reaching the required 1%. Design of the detectors as well as the results of the measurements will be presented.
A test stand for optical beam tomography was developed. As a new non-destructive beam-diagnostic system for high current ion beams, the test stand will be installed in the low energy beam transport section (LEBT) of the Frankfurt Neutron Source (FRANZ) behind the chopper system. The test stand consists of a rotatable vacuum chamber with a mounted CCD camera. The maximum rotation angle amounts to 270°. In a first phase the optical beam profile measurement and 3D density reconstruction is tested with a time independent 10 keV He beam. The measurements and performance of data processing algorithms are compared with the beam transport simulations. In a later phase the performance with time dependent beams (120 keV, 200 mA) at a repetition rate of 250 kHz and a duty cycle of 2.5% has to be evaluated. An overview of the first phase results is shown.
Space charge lenses use a confined electron cloud for the focusing of ion beams. The focusing strength is given by the electron density whereas the density distribution influences the mapping quality of the space charge lens and is related to the confinement. The plasma parameters, loss as well as production mechanisms have a strong impact on plasma beam interactions. A scaled up space charge lens was constructed to investigate the properties of a nonneutral plasmas in detail. New non-interceptive diagnostic has been developed to characterize the collective behaviour of the confined nonneutral plasma in terms of an optimized lens design and parameters. Experimental results will be presented in comparison with numerical simulations.
Zunächst sind einige Methoden und Techniken zusammenfassend aufzuzählen, welche mir in meiner Zeit am IKF nahegebracht wurden.
Von technischer Seite her sind hier der Umgang mit der Instituts-eigenen Lichtmikroskop und den pA-Messgeräten sowie der analogen Messkette zu nennen. Außerdem gegebenen GEM-Folien auf Fehlstellen zu untersuchen, sie unter Spannung zu testen und anschließen in die Testkammer zu montieren und diese anschließend ordnungsgemäß in Betrieb zu nehmen. Während des Betriebs der Kammer sind neben den Messungen selbst auch die Programmierung in C++ um ein vorhandenes GUI zu verstehen und erweitern zu können zu nennen. In der Analyse der gewonnenen Daten ist vor allem die im Institut verbreiteten Analyse-Software „Root“ zu nennen um Daten zu verarbeiten, zu plotten und zu fitten.
Der physikalische Gehalt der Messungen war in Folge der ersten Messung nicht mit Sicherheit zu bestimmen, da die Raten-Abhängigkeit des IB entweder grundlegender physikalischer oder technischer Natur sein konnte, was näher zu untersuchen blieb. Nach wiederholter Messung mit größerem Messbereich und einer zweiten Messreihe mit einer anderen Gas-Mischung konnten jedoch Aussagen getroffen werden.
So konnte in der Argon-Messung die gleiche Raten-Abhängigkeit des IBF wie zuvor festgestellt werden, während der IBF in der Neon-Mischung kaum merklich anstieg. Außerdem ist festzuhalten, dass Messungen an der Kathode nur über 10 pA problemlos genau sind. Darunter werden die Werte bei zu wenig Messzeit weniger aussagekräftig.
Entwicklung von normal- und supraleitenden CH-Strukturen für den 17 MeV EUROTRANS-Injektor-Linac
(2010)
In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Hochfrequenzlinearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, permanent. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Aktivitäten lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Daneben existiert seit einiger Zeit eine starke Tendenz zur Entwicklung von Hochleistungslinearbeschleunigern, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die neu entwickelte CH-Struktur (Crossbar H-Mode) ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Das europäische Programm zur Transmutation radioaktiver Abfälle, EUROTRANS, basiert auf einem Hochleistungslinearbeschleuniger, der einen intensiven Protonenstrahl bereitstellt. Dieser Strahl wird auf ein Flüssigmetalltarget geleitet, wodurch Spallationsneutronen entstehen, welche die Reaktion im Reaktorkern antreiben. Hierbei spricht man von einem sogenannten beschleunigergetriebenen System (ADS). Das zugehörige Refernzdesign des Instituts für Angewandte Physik propagiert einen aus normal- und supraleitenden CH-Strukturen bestehenden Injektor für den Bereich von 5–17 MeV. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diesbezüglich zur Entwicklung von zwei normal- und vier supraleitenden CH-Kavitäten elektrodynamische Simulationsrechnungen in Bezug auf die folgenden Designkriterien durchgeführt:...
The present work deals with the integration of variable renewable energy sources, wind and solar energy into the European and US power grid. In contrast to other networks, such as the gas supply mains, the electricity network is practically not able to store energy. Generation and consumption therefore always have tobe balanced. Currently, the load curve is viewed as a rigid boundary condition, which must be followed by the generation system. The basic idea of the approach followed here is that weather-dependent generation causes a shift of focus of the electricity supply. At high shares of wind and solar generation, the role of the rigid boundary condition falls to the residual load, that is, the remaining load after subtraction of renewable generation. The goal is to include the weather dependence as well as the load curve in the design of the future electricity supply.
After a brief introduction, the present work first turns to the underlying weather-, generation and load data, which form the starting point of the analysis. In addition, some basic concepts of energy economics are discussed, which are needed in the following.
In the main part of the thesis, several algorithms are developed to determine the load flow in a network with a high share of wind and solar energy and to determine the backup supply needed at the same time. Minimization of the energy needed from controllable power plants, the capacity variable power plants, and the capacity of storing serve as guiding principles. In addition, the optimization problem of grid extensions is considered. It is shown that it can be formulated as a convex optimization problem. It turns out that with an optimized, international transmission network which is about four times the currently available transmission capacity, much of the potential savings in backup energy (about 40%) in Europe can be reached. In contrast, a twelvefold increase the transmission capacity would be necessary for a complete implementation of all possible savings in dispatchable power plants.
The reduction of the dispatchable generation capacity and storage capacity, however, presents a greater challenge. Due to correlations in the generation of time series of individual countries, it may be reduced only with difficulty, and by only about 30%.
In the following, the influence of the relative share of wind and solar energy is illuminated and examined the interplay with the line capacitance. A stronger transmission network tends to lead to a higher proportion of wind energy being better integrated. With increasing line capacity, the optimal mix in Europe therefore shifts from about 70% to 80% wind. Similar analyses are carried out for the US with comparable results.
In addition, the cost of the overall system can be reduced. It is interesting at this point that the advantages for the network integration may outweigh higher production costs of individual technologies, so that it is more favourable from the viewpoint of the entire system to use the more expensive technologies.
Finally, attention is given to the flexibility of the dispatchable power plants. Starting from a Fourier-like decomposition of the load curve as it was a few years ago, when hardly renewable generation capacity was present, capacities of different flexibility classes of dispatchable power plant are calculated. For this purpose, it is assumed that the power plant park is able to follow the load curve without significant surplusses or deficits. From this examination, it is derived what capacity must at least be available without having to resort to a detailed database of existing power plants.
Assuming a strong European cooperation, with a stronger international transmission network, the dispatchable power capacity can be significantly reduced while maintaining security of supply and generating relatively small surplusses in dispatchable power plants.
Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Modellsysteme untersucht, die Metriken der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie mit Erweiterungen vergleichen, in denen Ereignishorizonte nicht existieren müssen. Die untersuchten Korrekturterme sind durch Schwachfeldmessungen, wie sie zum Beispiel in unserem Sonnensystem durchgeführt werden, nicht überprüfbar. Es ist deshalb nötig solche Systeme zu betrachten, in denen die vollständigen Gleichungen berücksichtigt werden müssen und keine Entwicklungen für schwache Felder gemacht werden können. Es gibt eine Reihe von astrophysikalischen Systemen, die diese Bedingungen erfüllen, wie das Galaktische Zentrum oder Doppelsternsysteme.
Im zweiten Kapitel der Arbeit werden Testteilchenorbits in einem Zentralpotential beschrieben und Unterschiede zwischen der klassischen und einer modifizierten Kerr-Metrik herausgearbeitet. Drei neue Phänomene der modifizierten Metrik gegenüber der Klassischen treten hier in Erscheinung. Zum einen haben Teilchen, die sich auf prograden Bahnen um den Zentralkörper drehen, ein Maximum in ihrer Winkelgeschwindigkeit. Zum anderen ist das Phänomen des frame-draggings deutlich schwächer ausgeprägt. Schließlich tritt ein letzter stabiler Orbit für entsprechend schnell rotierende Zentralkörper nicht mehr auf. Gleichzeitig sind die Unterschiede in den beiden Metriken für große Abstände (r > 10m) nahezu vernachlässigbar. In Kapitel 3 werden diese Ergebnisse auf zwei unterschiedliche Modelle zur Beschreibung von Akkretionsscheiben angewendet. Untersucht wird zum einen das Verhalten der Eisen-Kα-Emissionslinie und zum anderen der Energiefluss aus einer Akkretionsscheibe.
In der Form der Eisen-Kα-Emissionslinie gibt es eine deutliche Zunahme des rotverschobenen Anteils der Strahlung in der modifizierten Kerr-Metrik gegenüber der klassischen Kerr-Metrik. Die Akkretionsscheibe nach Page und Thorne zeigt unter Verwendung der modifizierten Kerr-Metrik eine signifikante Erhöhung der abgestrahlten Energie, wenn der Zentralkörper so schnell rotiert, dass kein letzter stabiler Orbit mehr auftritt. Zusätzlich gibt es hier in der Scheibe einen dunklen Ring im Vergleich zu den Bildern höherer Ordnung, die in der klassischen Kerr-Metrik auftreten. Erklärbar sind diese Phänomene dadurch, dass sich Teilchen auf stabilen Bahnen in der modifizierten Kerr-Metrik näher an den Zentralkörper heran bewegen können, als es in der klassischen Kerr-Metrik der Fall ist. Die Rotverschiebung ist für beide Fälle annäherend gleich.
Kapitel 4 gibt eine kurze Einführung in die Beschreibung von Gravitationswellen im Rahmen der linearisierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Hier wird als Modell ein Binärsystem, wie etwa der Hulse-Taylor-Pulsar, betrachtet. Die Unterschiede zwischen der klassischen Theorie und einer Beschreibung unter Hinzunahme von Zusatztermen sind hier erwartungsgemäß sehr gering, da die Linearisierung der Gleichungen dazu führt, dass Starkfeldeffekte vernachlässigt werden. Für große Abstände, was in diesem Fall auch schwache Felder impliziert, sind die Erweiterungen der Gleichungen vernachlässigbar. Hier werden zum Teil auch Effekte in der klassischen ART vernachlässigt.
In Kapitel 5 befindet sich ein kurzer Ausblick in die 3+1-Formulierung der Einsteingleichungen für die numerische Beschreibung von Gravitationsphänomenen. Diese Beschreibung ermöglicht es auch komplexe Systeme ohne viele nähernde Annahmen genau beschreiben zu können. Diese Systeme können zum einen Akkretionsscheiben um kompakte Objekte sein, aber auch die Verschmelzung von zwei massiven Objekten und die damit verbundenen Gravitationswellensignale. Dadurch lassen sich die Vorhersagen der ART oder etwaiger Erweiterungen präziser modellieren.
Die vorgestellten Ergebnisse liegen innerhalb der Einschränkungen durch aktuelle Messungen. Zukünftige Messungen wie genauere Beobachtungen des Galaktischen Zentrums durch das Event Horizon Telescope sind aber voraussichtlich dazu in der Lage zwischen den untersuchten Metriken zu unterscheiden.
A non-interceptive optical diagnostic system on the basis of beam tomography, was developed for the planned Frankfurt Neutron Source (FRANZ). The proton driver linac of FRANZ will provide energies up to 2.0 MeV. The measurement device will non-interceptively derive required beam parameters at the end of the LEBT at beam energies of 120 keV and a current of 200 mA. On a narrow space of 351.2 mm length a rotatable tomography tank will perform a multi-turn tomography with a high and stable vacuum pressure. The tank allows to plug different measurement equipment additionally to the CCD Camera installed, to perform optical beam tomography. A collection of developed algorithms provides information about the density distribution, shape, size, location and emittance on the basis of CCD images. Simulated, as well as measured data have been applied to the evaluation algorithms to test the reliability of the beam. The actual contribution gives an overview on the current diagnostic possibilities of this diagnostic system.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Auslegung des Kickers für den Bunch-Kompressor des FRANZ-Projektes. Anhand eines Modells wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Einkopplung sowie das Feld zwischen den Kondensatorplatten bereits untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird der Kicker mit Hilfe des Programms CST Microwave Studio erstellt und optimiert, sodass er nach Abschluss der Untersuchungen in die Fertigung gehen kann. Dabei ist der erste Schwerpunkt der Untersuchungen die Auslegung und Optimierung der Kondensatorplatten, die für die Auslenkung der Mikro-Bunche im FRANZ-Projekt verantwortlich sind. Zu Beginn der Masterarbeit gab es gezielte Winkelverteilungen, die der Kicker im Rahmen des FRANZ-Projektes erreichen sollte. Nachdem ein Erreichen dieser Werte nur bedingt möglich war, wurden verschiedene Abschnitte des FRANZ-Projektes neu überdacht und die Anforderungen an den Kicker änderten sich dadurch grundlegend. Aus diesem Grund wurde der Kicker zu Beginn der Arbeit für eine Frequenz von 5 MHz ausgelegt, wohingegen er im Rahmen der neuen Anforderungen für eine Resonanzfrequenz von 2,57 MHz ausgelegt wurde. Die Untersuchung der optimalen Resonanzfrequenz für die Anforderungen des Kickers stellt den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit dar.
Nach Abschluss meiner Untersuchungen, kann man sagen, dass die galvanische Einkopplung die eleganteste und wohl sinnvollste für den Kicker im FRANZ-Projekt ist, da man mit ihr perfekt kritische Einkopplung erreicht und sie relativ einfach zu realisieren ist, indem man die Zuleitung direkt an die Stützen lötet. Da die Zuleitung nur relativ kurz ist und Außerhalb der Spule verläuft verändert sie die Eigenschaften des Kickers nicht wesentlich. Die induktive Einkopplung eignet sich zwar auch sehr gut um die kritische Ankopplung zu erreichen, allerdings stellt die Indutktionsschleife eine zusätzliche Induktivität dar. Ebenso verhält es sich mit der kapazitiven Einkopplung. Der Einkoppelstift stellt eine zusätzliche Kapazität dar, welche die Eigenschaften des Kickers verändert.
Zu den Störkörpermessungen ist zu sagen, dass das Elektromagnetische Feld, dass ich vermessen habe, gut mit der Simulation aus [2] übereinstimmt. Die verschiedenen Einkopplungsverfahren haben keinen Einfluss auf die Feldverteilung, d.h. für die Feldverteilung ist es egal ob man kapazitiv, induktiv oder galvanisch einkoppelt. Der Peak, der am Anfang des Kondensators immer wieder auftritt lässt sich dadurch begründen, dass der Störkörper nicht auf einer geraden Linie durch das Modell gezogen wurde (siehe Abbildung 15. Aufgrund der Geometrie der Endplatten wurde der Störkörper leicht schräg durch das Modell und den Kondensator gezogen. Dadurch kommt der Störkörper am Anfang des Kondensators sehr nahe an ihn heran. Wenn der Störkörper nun zu nahe an der Metalloberfläche vorbeiläuft gilt die normale Störkörpertheorie nicht mehr und es treten Oberflächenladungseffekte auf, die die Phasenverschiebung beeinflussen. Somit erhält man am Anfang des Kondensators mehr Phasenverschiebung als in der Mitte des Kondensators.
Intense ion beams with small phase space occupation (high brilliance) are mandatory to keep beam losses low in high current injector accelerators like those planned for FAIR. The low energy beam transport from the ion source towards the linac has to keep the emittance growth low and has to support the optimization of the ion source tune. The Frankfurt Neutron Source Facility FRANZ is currently under construction. An intense beam of protons (2 MeV, 200 mA) will be used for neutron production using the Li7(p,n)Be7 reaction for studies of the astrophysical s-process. A collimation channel, which can be adjusted to allow the transport of beams with a certain beam emittance, is an ideal tool to optimize the ion source tune in terms of beam brightness. Therefore a collimation channel in the Low Energy Beam Transport section will be used. Through defined apertures and transversal phase space rotation using focusing solenoids the beam halo as well as unwanted H2+ and H3+ fractions will be cut. Theoretical studies which were carried out so far and a first design of the setup will be presented.
Beam test of the direct plasma injection scheme (DPIS) is carried out successfully for the first time in China, by setting up a comprehensive test and research platform of RFQ and laser ion source. The C6+ beam is accelerated successfully, and the peak beam current reaches more than 6mA which is measured by a Faraday cup of unique structure. The RF power coupled into the RFQ cavity is also examined, and results reveal that it is the RF power of about 195kW that can produce the peak beam current.
A CW RFQ prototype
(2011)
A short RFQ prototype was built for RF-tests of high power RFQ structures. We will study thermal effects and determine critical points of the design. HF-simulations with CST Microwave Studio and measurements were done. The cw-tests with 20 kW/m RF-power and simulations of thermal effects with ALGOR were finished successfully. The optimization of some details of the HF design is on focus now. First results and the status of the project will be presented.
Beam measurements with the new RFQ beam matching section at the Frankfurt Funneling Experiment
(2011)
Funneling is a method to increase low energy beam currents in multiple stages. The Frankfurt Funneling Experiment is a model of such a stage. The experiment is built up of two ion sources with electrostatic lens systems, a Two-Beam-RFQ accelerator, a funneling deflector and a beam diagnostic system. The two beams are bunched and accelerated in a Two-Beam RFQ. A funneling deflector combines the bunches to a common beam axis. A new beam transport system between RFQ accelerator and deflector has been constructed and mounted. With these extended RFQ-electrodes the drift between the Two-Beam-RFQ and the rf-deflector will be minimized and therefore unwanted emittance growth reduced. After first rf measurements current work are beam tests with the improved Two-Beam-RFQ. First results will be presented.
Usually 4-ROD Radio Frequency Quadrupoles (RFQ) are built for frequencies up to 216 MHz. For higher frequencies 4-VANE structures are more common. The advantages of 4-Rod structures, the greater flexibility for tuning and being more comfortable for maintenance, are motivating the development of a 4-Rod RFQ for higher frequencies than 216 MHz. In particular a 325 MHz RFQ with an output energy of 3 MeV is needed for the proton linac for the FAIR project of GSI. This paper reports about the design studies and the latest developments of this RFQ.
For the injector upgrade at FNAL a 4-rod Radio Frequency Quadrupole (RFQ) with a resonance frequency of 200 MHz has been build. With this short structure of only 1.3 m a very compact injector design has been realized. Simulations with CST Microwave Studio® were performed for the design. Their results leading to the RF characterizations of the RFQ and the final RF setup which has been accomplished at IAP of the Goethe-University Frankfurt are presented in this paper.
The LANSCE linear accelerator at Los Alamos National Laboratory provides H− and H+ beams to several user facilities that support Isotope Production, NNSA Stockpile Stewardship, and Basic Energy Science programs. These beams are initially accelerated to 750 keV using Cockcroft-Walton (CW) based injectors that have been in operation for over 37 years. They have failure modes which can result in prolonged operational downtime due to the unavailability of replacement parts. To reduce long-term operational risks and to realize future beam performance goals in support of the Materials Test Station (MTS) and the Matter-Radiation Interactions in Extremes (MaRIE) Facility, plans are underway to develop a Radio-Frequency Quadrupole (RFQ) based front end as a modern injector replacement for the existing CW injectors. Our progress to date will be discussed.
n order to reach the desired intensities of heavy ion beams for the experiments at FAIR, SIS18 and SIS100 have to be operated with intermediate charge states. Operation with intermediate charge state heavy ions at the intensity level of about 1011 ions per cycle has never been demonstrated elsewhere and requires a dedicated upgrade program for SIS18 and a dedicated machine design for SIS100. The specific problems coming along with the intermediate charge state operation in terms of charge exchange processes at collisions with residual gas atoms, pressure bumps by ion induced desorption and corresponding beam loss appears far below the typical space charge limits. Thus, new design concepts and new technical equipment addressing these issues are developed and realized with highest priority. The upgrade program of SIS18 addressing the goal of minimum ionization beam loss and stable residual gas pressure conditions has been defined in 2005. A major part of this upgrade program has been successfully realized, with the result of a world record in accelerated number of intermediate charge state heavy ions.
Accelerator Driven Systems (ADS) are promising tools for the efficient transmutation of nuclear waste products in dedicated industrial installations, called transmuters. The Myrrha project at Mol, Belgium, placed itself on the path towards these applications with a multipurpose and versatile system based on a liquid PbBi (LBE) cooled fast reactor (80 MWth) which may be operated in both critical and subcritical modes. In the latter case the core is fed by spallation neutrons obtained from a 600 MeV proton beam hitting the LBE coolant/target. The accelerator providing this beam is a high intensity CW superconducting linac which is laid out for the highest achievable reliability. The combination of a parallel redundant and of a fault tolerant scheme should allow obtaining an MTBF value in excess of 250 hours that is required for optimal integrity and successful operation of the ADS. Myrrha is expected to be operational in 2023. The forthcoming 4-year period is fully dedicated to R&D activities, and in the field of the accelerator they are strongly focused on the reliability aspects and on the proper shaping of the beam trip spectrum.
Development of fragmented low-Z ion beams for the NA61 fixed-target experiment at the CERN SPS
(2011)
The NA61 experiment, aims to study the properties of the onset of deconfinement at low SPS energies and to find signatures of the critical point of strongly interacting matter. A broad range in T-μB phase diagram will be covered by performing an energy (13A-158A GeV/c) and system size (p+p, Be+Be, Ar+Ca, Xe+La) scan. In a first phase, fragmented ion beams of 7Be or 11C produced as secondaries with the same momentum per nucleon when the incident primary Pb-ion beam hits a thin Be target will be used. The H2 beam line that transports the beam to the experiment acts as a double spectrometer which combined with a new thin target (degrader) where fragments loose energy proportional to the square of their charge allows the separation of the wanted A/Z fragments. Thin scintillators and TOF measurement for the low energy points are used as particle identification devices. In this paper results from the first test of the fragmented ion beam done in 2010 will be presented showing that a pure Be beam can be obtained satisfying the needs of the experiment.
Space charge lenses using a stable electron cloud for focusing low energy heavy ion beams are an alternative concept to conventional ion optics. Due to external fields electrons are confined inside the lens’ volume. In case of a homogeneously distributed electron cloud the linear electric space charge field enables beam focusing free of aberration. Since the mapping quality of the lens is related to the confinement, non-destructive diagnostics has been developed to determine the plasma parameters and to characterize the collective behavior of the confined nonneutral plasma. Moreover, a scaled up space charge lens was constructed for a detailed investigation of the nonneutral plasma properties as well as beam interactions with a stable confined electron cloud. Experimental results will be presented in comparison with numerical simulations.
As the successor of the EUROTRANS project, the MAX project is aiming to continue the R&D effects for a European Accelerator-Driven System and to bring the conceptual design to reality. The layout of the driver linac for MAX will follow the reference design made for the XT-ADS phase of the EUROTRANS project. For the injector part, new design strategies and approaches, e.g. half resonant frequency, half transition-energy between the RFQ and the CH-DTL, and using the 4-rod RFQ structure instead of the originally proposed 4-vane RFQ, have been conceived and studied to reach a more reliable CW operation at reduced costs. In this paper, the design and simulation results of the MAX injector are presented.
MYRRHA is conceived as an accelerator driven system (ADS) for transmutation of high level nuclear waste. The neutron source is created by coupling a proton accelerator of 600 MeV with a 4 mA proton beam, a spallation source and a sub-critical core. The IAP of Frankfurt University is responsible for the development of the 17 MeV injector operated at 176 MHz. The injector consists of a 1.5 MeV 4-Rod-RFQ and six CH-drifttube-structures. The first two CH-structures will be operated at room temperature and the other CH-structures are superconducting cavities assembled in one cryo-module. To achieve the extremely high reliability required by the ADS application, the design of the 17 MeV injector has been intensively studied, with respect to thermal issues, minimum peak fields and field distribution.
Chromatic, geometric and space charge effects on laser accelerated protons focused by a solenoid
(2011)
We studied numerically emittance and transmission effects by chromatic and geometric aberrations, with and without space charge, for a proton beam behind a solenoid in the laser proton experiment LIGHT at GSI. The TraceWin code was employed using a field map for the solenoid and an initial distribution with exponential energy dependence close to the experiment. The results show a strong effect of chromatic, and a relatively weak one of geometric aberrations as well as dependence of proton transmission on distance from the solenoid. The chromatic effect has an energy filtering property due to the finite radius beam pipe. Furthermore, a relatively modest dependence of transmission on space charge is found for p production intensity below 1011.
Experimental results and theoretical predictions in laser acceleration of protons achieved energies of ten to several tens of MeV. The LIGHT project (Laser Ion Generation, Handling and Transport) is proposed to use the PHELIX laser accelerated protons and to provide transport, focusing and injection into a conventional accelerator. This study demonstrates transport and focusing of laser-accelerated 10 MeV protons by a pulsed 18 T magnetic solenoid. The effect of co-moving electrons on the beam dynamics is investigated. The unique features of the proton distribution like small emittances and high yield of the order of 1013 protons per shot open new research area. The possibility of creating laser based injectors for ion accelerators is addressed. With respect to transit energies, direct matching into DTL's seems adequate. The bunch injection into a proposed CH− structure is under investigation at IAP Frankfurt. Options and simulation tools are presented.
An optimized design of a stellarator-type storage ring for low energy ion beams was numerically investigated. The magnetic field variation along the circumference and therefore magnetic heating is suppressed by using simple circular correction coils. Particle-in-Cell (PIC) simulations in a magnetic flux coordinate system show the ability of high current ion beam accumulation in such a configuration with unique features for clockwise and anticlockwise moving beams. Additionally scaled down experiments with two 30 degree room temperature toroidal segments were performed to demonstrate toroidal transport and to develop optical beam diagnostics. Properties of multi-component beams, redistribution of transversal momenta in the non-adiabatic part of the experimental configuration and investigation of strongly confined beam induced electron clouds will be addressed.
For the research program with cooled antiprotons at FAIR a dedicated 70 MeV, 70 mA proton injector is required. The main acceleration of this room temperature linac will be provided by six CH cavities operated at 325 MHz. Each cavity will be powered by a 2.5 MW Klystron. For the second acceleration unit from 11.5 MeV to 24.2 MeV a 1:2 scaled model has been built. Low level RF measurements have been performed to determine the main parameters and to prove the concept of coupled CH cavities. For this second tank technical and mechanical investigations have been performed in 2010 to develop a complete technical concept for the manufacturing. In Spring 2011, the construction of the first power prototype has started. The main components of this cavity will be ready for measurements in summer 2011. At that time, the cavity will be tested with a preliminary aluminum drift tube structure, which will allow precise frequency and field tuning. This paper will report on the recent technical development and achievements. It will outline the main fabrication steps towards that novel type of proton DTL. Also first low level RF measurements are expected.
The MYRRHA Project (Multi Purpose Hybrid Reactor for High Tech Applications) at Mol/belgium will be a user facility with emphasis on research with neutron generated by a spallation source. One main aspect is the demonstration of nuclear waste technology using an accelerator driven system. A superconducting linac delivers a 4 mA, 600 MeV proton beam. The first accelerating section is covered by the 17 MeV injector. It consists of a proton source, an RFQ, two room temperature CH cavities and 4 superconducting CH-cavities. The initial design has used an RF frequency of 352 MHz. Recently the frequency of the injector has been set to 176 MHz. The main reason is the possible use of a 4-rod-RFQ with reduced power dissipation and energy, respectively. The status of the overall injector layout including cavity design is presented.
SIS100 is the main synchrotron of the FAIR project. It is designed to accelerate high intensity intermediate charge state uranium beams from 200 MeV/u up to 2.7 GeV/u. Intermediate charge state heavy ions are exposed to a high probability of charge exchange due to collisions with residual gas molecules. Since the charge exchange process changes the magnetic rigidity, the involved ions are lost behind dispersive elements, and an energy-dependent gas desorption takes place. The StrahlSim code has been used to predict the stability of the residual gas pressure in SIS100 under beam loss driven dynamic conditions. The results show, that a stable operation at highest U28+ intensities is possible, under the constraint that the vacuum chambers of the ion catcher system are cold enough to pump hydrogen. Furthermore, in order to determine the load to the cryogenic system, the average beam energy deposition onto the ion catcher system has been calculated.
The ARMADILLO bunch compressor currently being designed at IAP is capable of reaching a longitudinal pulse compression ratio of 45 for proton beams of 150 mA at 2 MeV. It will provide one nanosecond proton pulses with a peak current of 7.7 A. The system guides nine linacμbunches deflected by a 5 MHz rf kicker and uses four dipole magnets - two homogeneous and two with field gradients - to merge them on the target. For longitudinal focusing and an energy variation of ±200 keV two multitrack rf cavities are included. ARMADILLO will be installed at the end of the Frankfurt Neutron Source FRANZ making use of the unique 250 kHz time structure. This contribution will provide an overview of the layout of the system as well as recent advances in component design and beam dynamics of the compressor.
At the Institute for Applied Physics (IAP), University of Frankfurt, a s.c. 325 MHz CH-Cavity is under development for future beam tests at GSI UNILAC, Darmstadt. The cavity with 7 accelerating cells has a geometrical beta of 0.15 corresponding to 11.4 AMeV. The design gradient is 5 MV/m. The geometry of this resonator was optimized with respect to a compact design, low peak fields, surface processing, power coupling and tuning. Furthermore a new tuning system based on bellow tuners inside the resonator will control the frequency during operation. After rf tests in Frankfurt the cavity will be tested with a 10 mA, 11.4 AMeV beam delivered by the GSI UNILAC. In this paper rf simulations, multipacting analysis as well as thermal calculations will be presented.
Nach dem einführenden Theorieteil werden in den darauffolgenden Kapiteln zuerst die Auslegung und die Vermessung der drei Tripletts an der GSI in Darmstadt beschrieben und dann versucht mit Hilfe von LORASR einen Akzeptanzrahmen der MEBT-Sektion (Medium Energy Beam Transport) für ein Teilchenpaket anzugeben. Anschließend werden die Ergebnisse aus Feldvermessung und CST EM STUDIO Feldsimulationen verglichen. Damit soll die Frage, inwieweit es mit Particle Tracking Simulationen, in denen mit in CST EM STUDIO simulierten und anschließend in BENDER importierten Feldern gearbeitet wird, möglich ist, zutreffende Aussagen zu machen, beantwortet werden. Im letzten Kapitel werden wiederum die Ergebnisse dieser Simulationen präsentiert und ihre Bedeutung, im Vergleich mit den erweiterten Untersuchungen der Transporteigenschaften durch verschiedene aus überlagerten Multipolfeldern generierten Magnetfelder, eingeordnet. Abschließend wird nochmals ein Fazit zur Aussagekraft der Ergebnisse und der Folgen für den Strahltransport gezogen und ein Ausblick auf die noch ausstehenden Schritte und weitere experimentelle Analyseoptionen gegeben.
In dieser Arbeit wurde der Entwurf eines Rebunchers für die Ionenstrahltherapieanlage MedAustron mit Hilfe des Simulationsprogramms Microwave Studio entwickelt. Es wurde ein neues Design in Anlehnung an einen Spiralresonator gewählt, wobei der Spiralarm aus einem wassergekühlten induktiven Teil und einem aus massivem Kupfer gefertigten kapazitiven Teil besteht.
Die Frequenz der ersten Eigenmode liegt zwischen 217,8 MHz (ohne Keramik) und 217,3 MHz (mit Keramik). In der Realität könnte die Frequenz von diesem Wert etwas abweichen (bis zu 0,5 MHz), da einerseits Details wie Ein- und Auskopplung und andererseits reale Effekte wie Oberflächenverunreinigung oder kleinste Abweichungen in der Geometrie in Microwave Studio nicht berücksichtigt werden können. Außerdem wird die Genauigkeit der Simulationen durch die Anzahl Gitterpunkte limitiert. Um diese Eekte kompensieren zu können, wurden die Auswirkungen eines Tuners auf die Frequenz untersucht. Hierbei ergab sich für eine Tunerhöhe von 40 mm eine Frequenzveränderung von 220 kHz, bei 70 mm sind es schon 1,224 MHz.
Da sich bei dieser Frequenz und Geometrie ein Laufzeitfaktor von nur 0,66 auf der Strahlachse ergibt und die Spannung dort zusätzlich um den Faktor 0,983 niedriger ist als am Spaltrand, muss bei einer effektiven Shuntimpedanz von 13,4 M Ω/m eine Leistung von 2,46 kW aufgebracht werden. Nähere Untersuchungen der elektrischen Felder fürten zu dem Ergebnis, dass der Grund für den niedrigen Laufzeitfaktor dynamische Eekte sein müssen. Die "statischen Felder" verhalten sich wie erwartet.
Aber auch die reale Shuntimpedanz und somit auch die reale Verlustleistung können beträchtlich von den berechneten Werten abweichen. Es wird erwartet, dass die Shuntimpedanz im ungünstigsten Fall nur 60% der simulierten Impedanz beträgt, weswegen man mit einer Verlustleistung von 4,09 KW rechnen muss.
Der Rebuncher soll zusammen mit der Beschleunigeranlage in Österreich im Jahr 2013 in Betrieb gehen, aber bereits in 2012 zu Strahlexperimenten am CERN zur Verfügung stehen.
The SIS300 synchrotron, planned for the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI-Darmstadt, will become the first superconducting synchrotron worldwide using cos(θ) magnets for resonant slow extraction. A multi-objective optimization algorithm has been developed for the design of the non-linear magnet scheme. The optimization algorithm makes use of the analytical model for the slow extraction from Kobayashi, the analytical description of the resonance excitation and amplitude-dependent tune-shift from Bengtsson, and corrects the chromaticity in order to fulfill the Hardt condition. As a result, the placement of the chromatic and harmonic sextupole magnets in SIS300, the number of sextupole families and the gradients of these families have been optimized for a high efficiency slow extraction. The algorithm accounts also for the sextupole errors on the dipole magnets, compensating its effects. Furthermore, optimized time-dependent settings for the sextupole magnets are generated to compensate the persistent current decay occurring at slow extraction. Tolerances for the magnets are set for the limits where the compensation is no longer valid.
Chopper systems are used to pulse charged particle beams. In most cases, electric deflection systems are used to generate beam pulses of defined lengths and appropriate repetition rates. At high beam intensities, the field distribution of the chopper system needs to be adapted precisely to the beam dynamics in order to avoid aberrations. An additional challenge is a robust design which guarantees reliable operation. For the Frankfurt Neutron Source FRANZ, an E×B chopper system is being developed which combines static magnetic deflection with a pulsed electric field in a Wien filter configuration. It will generate proton pulses with a flat top of 50 ns at a repetition rate of 250 kHz for 120 keV, 200 mA beams. For the electric deflection, pre-experiments with static and pulsed fields were performed using a helium ion beam. In pulsed mode operation, ion beams of different energies were deflected with voltages of up to ±6 kV and the resulting response was measured using a beam current transformer. A comparison between experiments and theoretical calculations as well as numerical simulations are presented.
A modern linear accelerator of ions is a long chain of different accelerating-focusing structures. The design of new linacs, as well as an upgrade and optimization of operating facilities, requires precise and reliable beam matching with the subsequent sections. Proper matching of the beam to the channel allows to improve the performance of the whole linac and to reduce the specific costs. Additionally it helps to avoide particle loss in high energy high intensity linacs. Generally a matching algorithm combines precisely measured or calculated accelerating-focusing external fields and experimentally obtained details of the beam parameters with an advanced code for beam dynamics simulations including space charge effects. Experimental results are introduced into a code as input data. The described algorithm has already been successfully implemented for several GSI projects: an upgrade of the GSI heavy ion linac UNILAC, an ion linac for the cancer therapy, the proton linac for the FAIR facility, a facility for laser acceleration of ions and others. Measured data and results of beam dynamics simulations leading to an achieved improvement of the linac performance are presented.
At GSI a new, superconducting (sc) continuous wave (cw) LINAC is under design in cooperation with the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University and the Helmholtz Institut Mainz (HIM). This proposed LINAC is highly requested by a broad community of future users to fulfill the requirements of nuclear chemistry, nuclear physics, and especially in the research field of Super Heavy Elements (SHE). In this context the preliminary layout of the LINAC has been carried out by IAP. The main acceleration of up to 7.3 AMeV will be provided by nine sc Crossbar-H-mode (CH) cavities operated at 217 MHz. Currently, a prototype of the cw LINAC as a demonstrator is under development. The demonstrator comprises a sc CH-cavity embedded between two sc solenoids mounted in a horizontal cryomodule. A full performance test of the demonstrator in 2013/14 by injecting and accelerating a beam from the GSI High Charge Injector (HLI) is one important milestone of the project. The status of the demonstrator is presented.
The superconducting CH-structure (Crossbar-H-mode) is a multi-cell drift tube cavity for the low and medium energy range operated in the H21-mode, which has been developed at the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University. With respect to different high power applications two types of superconducting CH-structures (f = 325 MHz, β = 0.16, seven cells and f = 217 MHz, β = 0.059, 15 cells) are presently under construction and accordingly under development. The structural mechanical simulation is a very important aspect of the cavity design. Furthermore, several simulations with ANSYS Workbench have been performed to predict the deformation of the cavity walls due to the cavity cool-down, pressure effects and mechanical vibrations. To readjust the fast frequency changes in consequence of the cavity shape deformation, a new concept for the dynamic frequency tuning has been investigated, including a novel type of bellow-tuner.
The Frankfurt Neutron Source at the Stern-Gerlach-Zentrum is driven by a 2 MeV proton linac consisting of a 4-rod-radio-frequency-quadrupol (RFQ) and an 8 gap IH-DTL structure. RFQ and IH cavity will be powered by only one radio frequency (RF) amplifier to reduce costs. The RF-amplifier of the RFQ-IH combination is coupled into the RFQ. Internal inductive coupling along the axis connects the RFQ with the IH cavity ensuring the required power transition as well as a fixed phase relation between the two structures. The main acceleration of 120 keV up to 2.03 MeV will be reached by the RFQ-IH combination with 175 MHz and at a total length of 2.3 m. The losses in the RFQ-IH combination are about 200 kW.
EUROTRANS is a European research program for the transmutation of high level nuclear waste in an accelerator-driven system (ADS). As proposed, the driver linac needs to deliver a 2.5–4 mA, 600 MeV continuous-wave (CW) proton beam and later a 20 mA, 800 MeV one to the spallation target in the prototype-scale and industrial-scale demonstration phases, respectively. This paper is focusing on the conceptual studies performed with respect to the 17 MeV injector. First, the special beam dynamics strategies and methods, which have been developed and applied to design a current-variable injector up to 30 mA for allowing an easy upgrade without additional R&D costs, will be introduced. Then the error study made for evaluating the tolerance limits of the designed injector will be presented as well.
We report on the event-by-event multiplicity fluctuations of identified particles in central Pb+Pb collisions measured by the NA49 experiment at the CERN SPS. Employing a novel approach we unfolded the moments of the unknown multiplicity distributions of protons (p), kaons (K), pions (π) and electrons. Using these moments we reconstructed an excitation function of the fluctuation measure νdyn[A;B], with A and B denoting different particle types. Specifically, we reconstructed νdyn for the [p, π], [p, K] and [K, π] pairs. The energy dependence of νdyn is in agreement with previously published NA49 results on the related measure σdyn. Moreover, for [K; p] and [K;p] pairs, we discovered a dependence of the fluctuation measure νdyn on the phase space coverage (acceptance). Interestingly for the [p,π] case no significant acceptance dependence was observed. These observations provide a likely explanation of the reported differences between measurements of NA49 and those of STAR in central Au+Au collisions.
The study of energy and system size dependence of fluctuations of identified hadrons is one of the key goals of NA61/SHINE at the CERN SPS. Results may allow to discover the critical point (CP) of strongly interacting matter as well as to uncover properties of the onset of deconfinement (OD). Measured fluctuations are affected by numerous other effects like volume fluctuations and conservation laws. NA49 seems to observe fluctuations possibly related to the CP in collisions of medium size nuclei at the top SPS energy. However, this result will remain inconclusive until systematic data on energy and system size dependence will be available. Moreover, fluctuations in p+p as well as in Pb+Pb interactions should be better understood. In this contribution new results on multiplicity fluctuations of identified hadrons in p+p interactions at the CERN SPS energies will be presented. The NA61 data will be compared with the corresponding results on central Pb+Pb collisions of NA49 in the common acceptance region of both experiments. Furthermore, predictions of models (EPOS, UrQMD and HSD) for p+p interactions will be tested.
While the existence of a strongly interacting state of matter, known as “quark-gluon plasma” (QGP), has been established in heavy ion collision experiments in the past decade, the task remains to map out the transition from the hadronic matter to the QGP. This is done by measuring the dependence of key observables (such as particle suppression and elliptic flow) on the collision energy of the heavy ions. This procedure, known as "beam energy scan", has been most recently performed at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).
Utilizing a Boltzmann+hydrodynamics hybrid model, we study the collision energy dependence of initial state eccentricities and the final state elliptic and triangular flow. This approach is well suited to investigate the relative importance of hydrodynamics and hadron transport at different collision energies.
We derive the Polyakov-loop thermodynamic potential in the perturbative approach to pure SU(3) Yang-Mills theory. The potential expressed in terms of the Polyakov loop in the fundamental representation corresponds to that of the strong-coupling expansion, of which the relevant coefficients of the gluon energy distribution are specified by characters of the SU(3) group. At high temperature, the potential exhibits the correct asymptotic behavior, whereas at low temperature, it disfavors gluons as appropriate dynamical degrees of freedom. To quantify the Yang-Mills thermodynamics in confined phase, we introduce a hybrid approach which matches the effective gluon potential to that of glueballs, constrained by the QCD trace anomaly in terms of dilaton fields.
We study the impact of nonequilibrium effects on the relevant signals within a chiral fluid dynamics model including explicit propagation of the Polyakov loop. An expanding heat bath of quarks is coupled to the Langevin dynamics of the order parameter fields. The model is able to describe relaxational processes, including critical slowing down and the enhancement of soft modes near the critical point. At the first-order phase transition we observe domain formation and phase coexistence in the sigma and Polyakov loop field leading to a significant amount of clumping in the energy density. This effect gets even more pronounced if we go to systems at finite baryon density. Here the formation of high-density clusters could provide an important observable signal for upcoming experiments at FAIR and NICA.We conclude that improving our understanding of dynamical symmetry breaking is important to give realistic estimates for experimental observables connected to the QCD phase transition.
The QGP that might be created in ultrarelativistic heavy-ion collisions is expected to radiate thermal dilepton radiation. However, this thermal dilepton radiation interferes with dileptons originating from hadron decays. In the invariant mass region between the f and J=y peak (1GeV <= M l+l <=. 3GeV) the most substantial background of hadron decays originates from correlated DD¯ -meson decays. We evaluate this background using a Langevin simulation for charm quarks. As background medium we utilize the well-tested UrQMD-hybrid model. The required drag and diffusion coefficients are taken from a resonance approach. The decoupling of the charm quarks from the hot medium is performed at a temperature of 130MeV and as hadronization mechanism a coalescence approach is chosen. This model for charm quark interactions with the medium has already been successfully applied to the study of the medium modification and the elliptic flow at FAIR, RHIC and LHC energies. In this proceeding we present our results for the dilepton radiation from correlated D¯D decays at RHIC energy in comparison to PHENIX measurements in the invariant mass range between 1 and 3 GeV using different interaction scenarios. These results can be utilized to estimate the thermal QGP radiation.
As microscopic transport models usually have difficulties to deal with in-medium effects in heavy-ion collisions, we present an alternative approach that uses coarse-grained output from transport calculations with the UrQMD model to determine thermal dilepton emission rates. A four-dimensional space-time grid is set up to extract local baryon and energy densities, respectively temperature and baryon chemical potential. The lepton pair emission is then calculated for each cell of the grid using thermal equilibrium rates. In the current investigation we inlcude the medium-modified r spectral function by Eletsky et al., as well as contributions from the QGP and four-pion interactions for high collision energies. First dielectron invariant mass spectra for Au+Au collisions at 1.25 AGeV and for dimuons from In+In at 158 AGeV are shown. At 1.25 AGeV a clear enhancement of the total dilepton yield as compared to a pure transport result is observed. In the latter case, we compare our outcome with the NA60 dimuon excess data. Here a good agreement is achieved, but the yield in the low-mass tail is underestimated. In general the results show that the coarse-graining approach gives reasonable results and can cover a broad collision-energy range.
This work presents an effective model for strongly interacting matter and the QCD equation of state (EoS). The model includes both hadron and quark degrees of freedom and takes into account the transition of chiral symmetry restoration as well as the deconfinement phase transition. At low temperatures T and baryonic densities ρB a hadron resonance gas is described using a SU(3)-flavor sigma-omega model and a quark phase is introduced in analogy to PNJL models for higher T and ρB. In this way, the correct asymptotic degrees of freedom are used in a wide range of T and ρB. Here, results of this model concerning the chiral and deconfinement phase transitions and thermodynamic model properties are presented. Large hadron resonance multiplicities in the transition region emphasize the importance of heavy-mass resonance states in this region and their impact on the chiral transition behavior. The resulting phase diagram of QCD matter at small chemical potentials is in line with latest lattice QCD and thermal model results.
Spinodal crumbling
(2013)
Extending a previously developed two-phase equation of state, we simulate head-on relativistic lead-lead collisions with fluid dynamics, augmented with a finite-range term, and study the effects of the phase structure on the evolution of the baryon density. For collision energies that bring the bulk of the system into the mechanically unstable spinodal region of the phase diagram, the density irregularities are being amplified significantly. We also present results for the associated clump size distribution.
We analyze hadrochemical freeze-out in central Pb+Pb collisions at CERN SPS and LHC energies. Employing the UrQMD hybrid transport model we study the effects of the final hadron/resonance expansion phase on the hadron multiplicities established at hadronization. The bulk meson yields freeze out directly at hadronization whereas the baryon-antibaryon sector is subject to significant alterations, due to annihilation and regeneration processes. We quantify the latter changes by survival factors for each species which are applied to modify the statistical model predictions for the data. The modified SM analysis recovers the hadronization points, which coincide with the recent lattice QCD predictions of the parton-hadron transition line at finite baryochemical potential.
Recent results on baryon production in relativistic heavy ion collisions show that a revision of the chemical freeze-out conditions is necessary. Particularly, there is evidence that chemical freezeout does not occur at full chemical equilibrium. We present a method to reconstruct original hadronization conditions and show that the newly found points in the T − µB plane are in very good agreement with extrapolations of the lattice QCD critical line.
Focus on quantum efficiency
(2014)
Technologies which convert light into energy, and vice versa, rely on complex, microscopic transport processes in the condensed phase, which obey the laws of quantum mechanics, but hitherto lack systematic analysis and modeling. Given our much improved understanding of multicomponent, disordered, highly structured, open quantum systems, this ‘focus on’ collection collects cuttingedge research on theoretical and experimental aspects of quantum transport in truly complex systems as defined, e.g., by the macromolecular functional complexes at the heart of photosynthesis, by organic quantum wires, or even photovoltaic devices. To what extent microscopic quantum coherence effects can (be made to) impact on macroscopic transport behavior is an equally challenging and controversial question, and this "focus on" collection provides a setting for the present state of affairs, as well as for the "quantum opportunities" on the horizon.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Hochfrequenzabstimmung und den Feldoptimierungen zweier Linearbeschleunigerstrukturen für eine in der Entwicklung befindliche Forschungsanlage an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main. Ein 4-Rod-RFQ sowie ein IH-Driftröhrenbeschleuniger sollen gekoppelt betrieben, d.h. nicht wie üblich von zwei, sondern nur von einem Hochfrequenz-Sender mit Leistung versorgt werden. Hierdurch lässt sich nicht nur der benötigte Platz reduzieren, sondern auch ein beträchtlicher Teil der Kosten des Projekts einsparen. Um das Verhalten der gekoppelten Beschleuniger genauer vorhersagen zu können, wurden Untersuchungen an bereits gebauten Modellen im Maßstab 1:2 durchgeführt und diese vermessen. Eine Methode zur systematischen Anpassung der Feldverteilung in 4-Rod-RFQs wurde darüber hinaus am einzeln betriebenen RFD-Modell angewandt und optimiert, sowie ein Algorithmus zur Automatisierung entwickelt. Parallel laufende Computersimulationen ermöglichten Vergleiche zu den realen Messwerten. Darüberhinaus konnten Rückschlüsse auf die Genauigkeit der Simulationen am Computermodell gezogen und hier liegende Herausforderungen, auch in Bezug auf die bei FRANZ zum Einsatz kommenden Beschleunigerstrukturen, näher untersucht werden. Hieraus resultierende Empfehlungen für das Design der FRANZ-IH-Struktur konnten gegeben werden und wurden bereits umgesetzt.
This novel kind of neutron beam facility will provide 1 ns short neutron pulses with an approximately thermal energy distribution around 30 keV. The pulse repetition rate will be up to 250 kHz, the total proton number per pulse will be up to 6×1010 in the final stage, starting with a p – source current of 200 mA. A second target station will allow n – activation experiments by cw beam operation. An intense 2 MeV proton beam will drive a neutron source by the 7 Li (p,n) 7 Be reaction. The facility is under construction at the physics experimental hall of the J.W. Goethe – University. The 1m thick concrete tunnel was installed in 2009. In 2011 all rf amplifiers will be delivered and installed. Successful 200 mA proton source experiments in 2010 at a test stand will be followed by experiments on the 120 kV FRANZ terminal in 2011. The 250 kHz, 100 ns chopper in front of the rf linac is under construction, while the 2 MeV bunch compressor design was finished and the technical design of all components has started. The main accelerator cavity is under construction. First 2 MeV beam tests are expected for end of 2012.
Mit dieser Arbeit konnte die Funktionsweise von gekoppelten Resonatoren erklärt werden. Das Verhalten von induktiv gekoppelten Beschleunigerkavitäten wurde näher studiert. Dabei wurde verstanden, wie sich Verstimmungen auf die Resonatoren auswirken und was zu tun ist um die Spannungsamplituden des gekoppelten Systems zu beeinflussen. Zudem wurden die Grundlagen für den gekoppelten Betrieb des FRANZ-Beschleunigers gelegt.
Mit dieser Arbeit wurde gezeigt, wie sich Störung und Kopplung auf ein System zwei gekoppelter Resonatoren auswirkt. Das Einfahren des Tauchkolbens birgt die Möglichkeit die Eigenfrequenzen des Systems zu verändern und die Feldverteilungen anzupassen. Ein Tauchkolben auf der anderen Seite des Resonators wäre für die Anschauung der Störung praktisch gewesen, hätte jedoch keine weiteren Erkenntnisse geliefert.
Es ist möglich mit zwei verschiedenen eingekoppelten Frequenzen eine Schwebung im Resonator zu erzeugen. Dies könnte theoretisch für eine Hochfrequenzstrahlablenkung nützlich sein. Mit einer speziell auf Strahlablenkung optimierten Resonatorgeometrie gilt es dies praktisch zu überprüfen.
In dieser Arbeit wird der Strahltransport in einem CH-Driftröhrenbeschleuniger untersucht. Hierfür wurden numerische Simulationen zur elektromagnetischen Feldverteilung und dem strahldynamischen Einfluss der CH-Driftröhrenkavität durchgeführt. Sie fungiert als Prototyp für CH-Strukturen im Injektor des MYRRHA-Projekts, einem beschleunigergetriebenen System (ADS) zur Transmutation radioaktiven Abfalls. Zudem wird sie an der im Aufbau befindlichen Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) an der Goethe-Universität Frankfurt am Main experimentell mit Strahl getestet werden. FRANZ dient neben dem Einsatz als Experimentierfeld für neuartige Beschleuniger- und Strahldiagnostikkonzepte vor allem der Forschung im Bereich nuklearer Astrophysik.
In this thesis, a novel 257 kHz chopper device was numerically developed, technically designed and experimentally commissioned; a 4-solenoid, low-energy ion beam transport line was numerically investigated, installed and experimentally commissioned; and a novel massless beam-separation system was numerically developed.
The chopper combines a pulsed electric field with a static magnetic field in an ExB or Wien-filter type field configuration. Chopped beam pulses with a 257 kHz repetition rate and rise times of 110 ns were experimentally achieved using a 14 keV helium beam.
Due to the achieved results, the complete LEBT line for the future Frankfurt Neutron Source FRANZ is ready to deliver a dc or a pulsed beam. At the same time, the LEBT section represents an attractive test stand for the study of low-energy ion beams. It combines magnetic lenses, which allow space-charge compensated beam transport, and a chopper system capable of producing short beam pulses in the hundred nanosecond range. Since these beam pulses are transported onwards, their longitudinal and transverse properties can be analyzed. The pulse duration and time of flight are well below the rise time for the space-charge compensation through residual gas ionization. This opens the possibility for dedicated investigations of the transport of short, low-energy beam pulses including longitudinal and transverse space-charge effects and of relevant issues like the dynamics of space-charge compensation and electron effects in short pulses.
In dieser Arbeit wird der Strahltransport in einer Niederenergietransportsektion (LEBT) untersucht. Die Untersuchungen werden für die Betriebsmodi der im Aufbau befindlichen Neutronenquelle FRANZ an der Frankfurter Goethe-Universität durchgeführt. Hierbei wird die Akzeptanz eines Choppersystems nach der ersten Sektion des Transportwegs sowie die Akzeptanz des auf die zweite Sektion folgenden RFQ betrachtet und bestmöglich erfüllt. Die Auswirkungen durch die Raumladungswirkung des Ionenstrahls werden berücksichtigt, ebenso die mögliche thermische Belastung durch Strahlverlust an den Komponenten entlang des Strahlwegs. Weiterhin wird der Einfluss eines nicht optimierten Einschusses in den RFQ und die sich daraus ergebenden Strahleigenschaften am Ende des RFQs untersucht.
Der Radiofrequenzquadrupol (RFQ) wird typischerweise als erstes beschleunigendes Element in Beschleunigeranlagen eingesetzt. Das elektrische Quadrupolfeld ermöglicht die gleichzeitige Fokussierung und Beschleunigung des Ionenstrahls. Zudem ist der RFQ in der Lage den Gleichstromstrahl von der Ionenquelle zu Teilchenpaketen (Bunche) zu formen, die von den nachfolgenden Driftröhrenbeschleunigern benötigt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung zur Realisierbarkeit eines 325 MHz 4-rod RFQ Beschleunigers. Die Frequenz von 325 MHz stellt eine ungewöhnlich hohe Betriebsfrequenz für die 4-rod Struktur dar und wird z.B. für den Protonenlinac des FAIR Projektes benötigt. Ein Problem hierbei war, dass durch die bauartbedingten unsymmetrischen Elektrodenaufhängung und der hohen Frequenz ein, das Quadrupolfeld überlagerndes, Dipolfeld erzeugt wird. Dieses störende Feld kann z.B. zu einem Versatz der Strahlachse führen. Hierzu wurde die 4-rod Struktur in Simulationen grundlegend auf Einflüsse von verschiedenen Parametern auf die Resonanzfrequenz und das Dipolfeld untersucht. Es wurden Lösungsstrategien erarbeitet das Diopolfeld zu kompensieren und auf einen Prototypen angewendet. Zudem wurde das Verhalten höherer Schwingungsmoden dieser Struktur simuliert. In diesem Rahmen wurden auch Simulationen zu Randfeldern zwischen den 4-rod Elektroden und der Tankwand untersucht, um nachteilige Effekte für die Strahlqualität auszuschließen. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurde ein Prototyp angefertigt. Dieser Prototyp wurde zur Demonstration der Betriebseigenschaften mit Leistungen bis 40 kW getestet. Hierbei wurde die Elektrodenspannung mittels Gammaspektroskopie bestimmt und daraus die Shuntimpedanz berechnet. Diese Werte wurden mit anderen Methoden der Shuntimpedanzbes- timmung verglichen. Außerdem wurden alternative RFQ Resonatorkonzepte ebenfalls auf ihre Realisierbarkeit für den Protonenlinac untersucht. Die Einflüsse verschiedener Parameter auf die Betriebsfrequenz, die Möglichkeiten des Frequenztunings und der Einstellung der longitudinalen Spannungsverteilung gefertigter Modelle wurden in einer Diskussion gegenübergestellt.
We study the equilibrium properties of strongly-interacting infinite parton-hadron matter, characterized by the transport coefficients such as shear and bulk viscosity and electric conductivity, and the non-equilibrium dynamics of heavy-ion collisions within the Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD) transport approach, which incorporates explicit partonic degrees of freedom in terms of strongly interacting quasiparticles (quarks and gluons) in line with an equation of state from lattice QCD as well as the dynamical hadronization and hadronic collision dynamics in the final reaction phase. We discuss in particular the possible origin for the strong elliptic flow v2 of direct photons observed at RHIC energies.
The laser-driven acceleration of protons from thin foils irradiated by hollow high-intensity laser beams in the regime of target normal sheath acceleration is reported for the first time. The use of hollow beams aims at reducing the initial emission solid angle of the TNSA source, due to a flattening of the electron sheath at the target rear side. The experiments were conducted at the PHELIX laser facility at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH with laser intensities in the range from 10^18 to 10^20 W/cm^2. We observed an average reduction of the half opening angle by (3.07±0.42)° or (13.2±2)% when the targets have a thickness between 12 to 14 μm. In addition, the highest proton energies were achieved with the hollow laser beam in comparison to the typical Gaussian focal spot.
The subatomic world is governed by the strong interactions of quarks and gluons, described by Quantum Chromodynamics (QCD). Quarks experience confinement into colour-less objects, i.e. they can not be observed as free particles. Under extreme conditions such as high temperature or high density, this constraint softens and a transition to a phase where quarks and gluons are quasi-free particles (Quark-Gluon-Plasma) can occur. This environment resembles the conditions prevailing during the early stages of the universe shortly after the Big Bang.
The phase diagram of QCD is under investigation in current and future collider experiments, for example at the Large Hadron Collider (LHC) or at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Due to the strength of the strong interactions in the energy regime of interest, analytic methods can not be applied rigorously. The only tool to study QCD from first principles is given by simulations of its discretised version, Lattice QCD (LQCD).
These simulations are in the high-performance computing area, hence, the numerical aspects of LQCD are a vital part in this field of research. In recent years, Graphic Processing Units (GPUs) have been incorporated in these simulations as they are a standard tool for general purpose calculations today.
In the course of this thesis, the LQCD application cl2qcd has been developed, which allows for simulations on GPUs as well as on traditional CPUs, as it is based on OpenCL. cl2qcd constitutes the first application for Wilson type fermions in OpenCL.
It provides excellent performance and has been applied in physics studies presented in this thesis. The investigation of the QCD phase diagram is hampered by the notorious sign-problem, which restricts current simulation algorithms to small values of the chemical potential.
Theoretically, studying unphysical parameter ranges allows for constraints on the phase diagram. Of utmost importance is the clarification of the order of the finite temperature transition in the Nf=2 chiral limit at zero chemical potential. It is not known if it is of first or second order. To this end, simulations utilising Twisted Mass Wilson fermions aiming at the chiral limit are presented in this thesis.
Another possibility is the investigation of QCD at purely imaginary chemical potential. In this region, QCD is known to posses a rich phase structure, which can be used to constrain the phase diagram of QCD at real chemical potential and to clarify the nature of the Nf=2 chiral limit. This phase structure is studied within this thesis, in particular the nature of the Roberge-Weiss endpoint is mapped out using Wilson fermions.
Das Schwerionenkollisionen Programm der Beschleuniger RHIC und LHC gibt Hinweise auf einen neuen Zustand hadronischer Materie --- das Quark-Gluon Plasma. Dieses zeichnet sich durch eine zumindest partielle Aufhebung des confinements aus, welches besagt, dass keine freien Quarks beochtbar sind.
Aus einer Beschreibung der experimentellen Daten mit relativistischer Hydrodynamik folgen weitere Eigenschaften. So geht das in einer Schwerionenkollision erzeugte Quark-Gluon Plasma nach sehr kurzer Zeit, etwa 1 fm/c, in ein zumindest lokales thermisches Gleichgewicht über. Durch die Lorentzkontraktion der beiden Schwerionen erwartet man, dass der Zustand direkt nach der Kollision durch eine Impulsanisotropie in der transversal-longitudinalen Ebene bestimmt wird. Somit setzt das Erreichen eines thermischen Gleichgewichts zunächst eine Isotropisierung voraus. Bisherige Studien haben gezeigt, dass gluonische Moden bei dieser Isotropisierung durch Verursachung einer chromo-Weibel Instabilität eine entscheidende Rolle spielen.
Weiterhin verhält sich das Quark-Gluon Plasma wie eine fast perfekte Flüssigkeit. Eine Berücksichtigung dissipativer Terme in der hydrodynamischen Beschreibung erfordert das Hinzufügen weiterer Terme zu den entsprechenden Bewegungsgleichungen. Diese sind proportional zu Transportkoeffizienten, welche durch die zugrunde liegende mikroskopische Theorie festgelegt sind.
Diese Theorie ist Quantenchromodynamik. Sie beschreibt die starke Wechselwirkung der Quarks und Gluonen und ist ein fundamentaler Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik. Da im Regelfall Prozesse der starken Wechselwirkung nichtperturbativ sind, beschreiben wir QCD unter Verwendung einer Gitterregularisierung. Diese beruht auf einer Diskretisierung der vierdimensionalen Euklidischen Raumzeit durch einen Hyperkubus mit periodischen Randbedingungen und ermöglicht ein Lösen der QCD mit numerischen Methoden. Allerdings ist die Anwendung der Gittereichtheorie auf Systeme im thermischen Gleichgewicht beschränkt und kann somit keine Prozesse beschreiben, die auf Echtzeit basieren.
Transportkoeffizienten entsprechen Proportionalitätskoeffizienten, die die Relaxation einer Flüssigkeit oder eben eines Quark-Gluon Plasmas von einer kleinen Störung beschreiben. Damit sind sie unmittelbar mit der Zeit verknüpft. Über Kubo-Formeln lassen sie sich jedoch mit Gleichgewichtserwartungswerten retardierter Korrelatoren verknüpfen und werden so in Gitter QCD zugänglich.
In der vorliegenden Dissertation berechnen wir den Transportkoeffizienten κ in Gittereichtheorie für das Yang-Mills Plasma. Dabei nutzen wir aus, dass dieser Transportkoeffizient eine triviale analytische Fortsetzung vom retardierten zum Euklidischen Korrelator besitzt, welcher direkt in Gittereichtheorie zugänglich ist. Es ist die erste nichtperturbative Berechnung eines Transportkoeffizienten in QCD ohne weitere Annahmen, wie die Maximum Entropie Methode oder Ansätze, zu treffen.
This thesis serves two main purposes:
1. The introduction of a novel experimental method to investigate phase change dynamics of supercooled liquids
2. First-time measurements for the crystallization behaviour for hydrogen isotopes under various conditions
1) The new method is established by the synergy of a liquid microjet of ~ 5 µm diameter and a scattering technique with high spatial resolution, here linear Raman spectroscopy. Due to the high directional stability and the known velocity of the liquid filament, its traveling axis corresponds to a time axis static in space. Utilizing evaporative cooling in a vacuum environment, the propagating liquid cools down rapidly and eventually experiences a phase transition to the crystalline state. This temporal evolution is probed along the filament axis, ultimately resulting in a time resolution of 10 ns. The feasibility of this approach is proven successfully within the following experiments.
2) A main object of study are para-hydrogen liquid filaments. Raman spectra reveal a temperature gradient of the liquid across the filament. This behaviour can quantitatively be reconstructed by numerical simulations using a layered model and is rooted in the effectiveness of evaporative cooling on the surface and a finite thermal conductivity. The deepest supercoolings achieved are ~ 30% below the melting point, at which the filament starts to solidify from the surface towards the core. With a crystal growth velocity extracted from the data the appropriate growth mechanism is identified. The crystal structure that initially forms is metastable and probably the result of Ostwald’s rule of stages. Indications for a transition within the solid towards the stable equilibrium phase support this interpretation.
The analog isotope ortho-deuterium is evidenced to behave qualitatively similar with quantitative differences being mass related.
In further measurements, isotopic mixtures of para-hydrogen and ortho-deuterium are investigated. It is found that the crystallization process starts earlier and lasts significantly longer compared to the pure substances with the maximum values between 20-50% ortho-deuterium content. A solely temperature based explanation for this effect can be excluded. The difference in the quantum character and hence effective size of the isotopes suggests a strong influence of the progressing liquid-solid-interface. Small dilutions of each para-hydrogen and ortho-deuterium with neon show an even more extended crystallization process compared to above isotopic mixtures. Additionally, the crystal is strongly altered in favor of the equilibrium lattice structure of neon.
In dieser Arbeit wurde die automatisierte Separation von Heliummono-, -di- und -trimeren beschrieben. Unter Nutzung ihrer unterschiedlichen De-Broglie-Wellenlängen wurden die verschiedenen Fraktionen mit einem Nanogitter getrennt. Zunächst wurden einige physikalische Grundlagen zu den genannten Atom- bzw. Molekülspezies, der hier auftretenden Bindungsform der Van-der-Waals-Bindung und insbesondere zur Materiewellenbeugung gelegt. Anschließend wurde der Versuchsaufbau dargestellt.
Bei der Durchführung wurden zunächst die drei jeweils vorhandenen Gitter und Spalte zu je einer Messung kombiniert und die beste Kombination für die weiteren Messungen ausgewählt. Das Experiment wurde weitergeführt, indem für verschiedene Temperaturen und Quelldrücke jeweils ein Beugungsspektrum von der für alle Heliumteilchen identischen nullten Ordnung bis zur ersten Ordnung der Heliummonomere aufgenommen wurde.
In der Auswertung wurde die Detektionswahrscheinlichkeit auf rund 37 % abgeschätzt. Weiterhin wurden die Ereignisse in den ersten Maxima der einzelnen Heliumfraktionen gezählt und so unter Verwendung der Detektionswahrscheinlichkeit molare Konzentrationen für das Heliumdi- und -trimer berechnet. Dabei wurden Anteile von bis zu 0,45 % für das Heliumdimer und 4,2 % für das Heliumtrimer erreicht. Diese Molanteile und ihre Abhängigkeit von Druck und Temperatur stimmen qualitativ gut mit der Literatur überein, quantitativ lassen sie sich u. a. wegen abweichender Nachweismethoden kaum vergleichen.
Anschließend wurde der Abstand von Düse und Skimmer variiert mit dem Ergebnis, daß eine Veränderung im betrachteten Bereich keinen nennenswerten Einfluß auf die Bildungsraten von Di- und Trimeren hat. Weiterhin wurde die auf zweierlei Weise bstimmbare Geschwindigkeit der Heliumteilchen im Gasjet ermittelt und verglichen.
Die beiden Geschwindigkeiten weichen lediglich im unteren Temperaturbereich signifikant voneinander ab, wofür plausible Erklärungsansätze dargelegt wurden.
Die Größe der Quellregion der betrachteten Heliumcluster wurde unter geometrischen Gesichtspunkten und unter Extrapolation der für verschiedene Spaltbreiten gemessenen Maximumsbreiten untersucht. Im Ergebnis wird die Quellbreite zu 58,5 μm abgeschätzt.
Die Automatisierung des Aufbaus erlaubte eine Vielzahl von systematischen Messungen, die ohne diese Automatisierung sehr zeitaufwendig gewesen wären. Insbesondere wurden in kurzer Zeit - wie zuvor geschildert - die Beugungsmuster von drei Gittern in Kombination mit je drei verschiedenen Kollimationspalten sowie die Abhängigkeit der Heliumdimer- und -trimerbildung von Temperatur, Druck und Abstand von Düse und Skimmer untersucht. Die Automatisierung erlaubt für zukünftige Messungen, z. B. in Strahlzeiten am Freien Elektronenlaser FLASH, jeweils in situ die Clusterbildung zu untersuchen. Möge das beschriebene Experiment nicht nur diese, sondern auch viele weitere Messungen beschleunigen helfen und so zum gesellschaftlichen Erkenntnisgewinn beitragen!
Hauptbestandteil dieser Masterarbeit war es, ein neues COLTRIMS Experiment zu entwerfen und zu bauen. Den gesamten Aufbau mit allen dazugehörigen Komponenten wie verschiedensten Vakuumkomponenten sowie Detektoren und Elektronik unter realen Messbedingungen zu testen, bildete schließlich den Abschluss des praktischen Teils. Sowohl einige Kalibrationsmessungen mit dem neuen Aufbau, als auch die ersten Ergebnisse der Messungen mit der chiralen Substanz Bromchlorfluormethan wurden hier vorgestellt.
Ein Großteil der Projektarbeit bestand darin, Überlegungen für die vielen verschiedenen Bauteile anzustellen, diese mit Rücksprache erfahrener Gruppenmitglieder zu verbessern und schließlich zu konstruieren und zu zeichnen...
Wir haben uns in dieser Arbeit der Frage nach der Dissipation in niederenergetischen Schwerionenkollisionen gewidmet. Dissipation im Allgemeinen hat ihre Ursache in direkten Teilchenkollisionen, die in der Methode von TDHF bezüglich der Nukleonen fehlen. Im VUU-Modell sind sie dagegen ein zentraler Bestandteil der Zeitentwicklung und spielen bei mittleren und hohen Energien eine wichtige Rolle.
Mithilfe des VUU-Modells wurde deshalb versucht einen Einfluss der Nukleon-Nukleon-Kollsionen auf den Impulsstrom festzustellen, der an der Verbindungsstelle in der Reaktion 16O + 132Sn mit b = 7 fm und Ecm = 100 vorliegt. Dabei variierten wir den NN-Wirkungsquerschnitt im Kollisionsterm der VUU-Gleichung mit der Erwartung, dass eine daraus resultierende Verminderung bzw. Erhöhung der Stoßrate Auswirkungen auf die Geschwindigkeitsverteilungen der Materie zeigt. Ein positives Ergebnis hätte den Schluss nahegelegt, dass die mittlere freie Weglände und damit die Viskosität von Kernmaterie in Schwerionenkollisionen zu berücksichtigen ist.
Im Verlauf unserer Analyse haben wir festgestellt, dass die von uns verwendeten Methoden nicht zu den gewünschten Ergebnissen führten, z.T. auch weil die Kerne in den VUU-Rechnungen Instabilität aufwiesen und so die relevante Reaktionszeit einschgeschränkt wurde. Wir konnten einen Einfluss von direkten Teilchenkollisionen auf den Impulsstrom zwischen den Kernen des obigen Systems nicht verifizieren. Zusätzliche Simulationen an 12C + 12C mit b = 0 fm haben dann gezeigt, dass offenbar der allergrößte Teil der Nukleon-Nukleon-Kollisionen aufgrund des Pauli-Prinzips blockiert wird. Aus diesem Grund ziehen wir die Möglichkeit in Betracht, dass die starke Präsenz des Pauli-Prinzips im niederenergetischen Bereich die Stoßrate nicht nur maßgeblich reduziert, sondern damit direkte Stöße insgesamt kaum Einfluss auf den Impulsstrom und die Dissipation haben könnten. Die Dissipation ist demnach hauptsächlich auf einen Austausch üuber die Verbindungsstelle zweier Kerne zurückzuführen, was in weiterführender Literatur unter dem Stichwort window formula bekannt ist.
Weitere Untersuchungen in diese Richtung sind wünschenwert. Insbesondere ist es erforderlich das angesprochene Zeitproblem zu lösen, um eventuell die Stoßrate zu erhöhen. Dann könnte ein möglicher Einfluss auf den Impulsstrom wesentlich länger und detaillierter studiert werden. Es bietet sich zudem an, das benutzte Auswerteprogramme vuudens so abzuändern, dass z.B. ein feineres Gitter benutzt werden kann, auf dem die Dichten berechnet werden. Das so gesteigerte Auflösungsvermögen würde sicherlich die
Unzulänglichkeiten der in dieser Arbeit verwendeten Methoden reduzieren. Bei weiterem und tieferem Studium der besprochenen Prozesse könnte es natürlich sein, dass bessere Ansätze zur Analyse gefunden werden. Dies wäre in jedem Fall zu begrüßen.
In dem in dieser Arbeit vorgestellten Experiment wurde die Reaktion zwischen molekularem Wasserstoff und hochgeladenen langsamen Ar8+-Ionen untersucht. Ein Augenmerk wurde hierbei auf den Zweifachelektroneneinfang gelegt.
Anhand zwei durchgeführten Messungen mit unterschiedlichen Projektilgeschwindigkeiten 0,2 und 0,36 a.u. und unter zur Hilfenahme des so genannten „over-barrier-Modells“ sollte die Dynamik des H2-Moleküls während des Elektroneneinfangprozesses untersucht werden. Aus den daraus resultierten Ergebnissen sollte die Frage, ob der Einfangsprozess simultan oder sequentiell stattgefunden hat beantwortet werden.
Durch einfache Berechnungen kann mit dem „over-barrier-Modell“ die Distanz, welche das Projektil zwischen dem ersten und dem zweiten Elektroneneinfang zurücklegt, in Abhängigkeit von dem Stoßparameter ermittelt werden. Dieser Wert ist der Hauptbestand aller weiteren Berechnungen.
Die Spektren der Impulsüberträge in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Moleküls zu dem Projektilstrahl haben gezeigt, dass das Projektil meist über und unter der Molekülachse streut anstatt links oder rechts am Molekül vorbei zu fliegen.
Die Auftragung der kinetischen Energie der Fragmente gegen den Transversalimpuls des Projektils (Abbildung 5.6) hat ergeben, dass größere Impulsüberträge für den Fall der senkrechten Stellung des Moleküls zu der Strahlachse, zu leicht erhöhten Aufbruchsenegien führt, was durch die Berechnung der Energie zu erklären ist.
Aus der Verteilung der kinetischen Energie (KER), welche die durch Dissoziation entstandenen Wasserstoffionen nach dem Stoß besitzen, kann auf den Verlauf der Reaktion zurück geschlossen werden.
Ein Vergleich der KER-Spektren für unterschiedliche Stoßparameter (Abbildung 5.8 und 5.9) bei festen Geschwindigkeiten hat für die zwei Messungen widersprüchliche Ergebnisse gezeigt. Zu erwarten war eine Verkleinerung der Energiewerte bei ansteigendem Stoßparameter. Dies konnte jedoch nur für den Fall in welchem die Projektilgeschwindigkeit 0,36 a.u. betrug bestätigt werden. Die Abweichung bei der ersten Messung kann durch statistische Fehler kommen, da die Anzahl der Messwerte, die für diese Messungen als „richtige“ angenommen worden, durch das Setzen von verschiedenen Bedingungen stark reduziert wurde.
Letztendlich wurde anhand der Variation der Stoßparameter bei festen Projektilgeschwindigkeiten die Zeitskala während des Stoßes eingeschätzt. Es wurde die Annahme getroffen, dass der Zweifachelektroneneinfang als zweistufiger Prozess abgelaufen ist und die maximal mögliche Zeitspanne zwischen dem ersten und dem zweiten Elektroneneinfang berechnet. Der Vergleich der daraus resultierten Werte mit der Oszillationsdauer des Wasserstoffmoleküls hat die getroffene Annahme widerlegt. Beide Messungen sind laut „over-barrier-Modell“ als einstufiger, schneller Übergang einzuordnen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Untersuchung der Reaktion des Zweifachelektroneneinfangs mit einem Augenmerk auf den Unterschied zwischen dem simultanen und dem sequentiellen Verlauf. Die Ergebnisse haben einen zweistufigen Prozess mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen. Obwohl alle theoretischen Anforderungen für den Einsatz des „over-barrier-Modells“ erfüllt worden sind, hat sich herausgestellt, dass die gemessenen Werte nicht immer eindeutig interpretiert werden konnten. Das lässt darauf schließen, dass das Experiment noch verbessert werden kann, um mögliche Fehlerquellen zu reduzieren. Eine Möglichkeit zur Verbesserung wäre der Einbau eines Elektronendetektors, oder aber die Änderung des Projektilions. Auch längere Messzeiten wären statistisch gesehen von Vorteil. Für die Zukunft sind weitere Experimente mit veränderten Targetgasen und geänderten Projektilgeschwindigkeiten geplant.
Die vorliegende Arbeit setzt sich mit dem Einfluss von Tetraquarkzuständen auf den chiralen Phasenübergang auseinander. Das Quarkmodell ist ein wirkungsvolles Instrument zum Verständnis des Verhaltens der Mesonen und Baryonen. Im Bereich von Energien unter 1:8 GeV gibt es in Bezug auf die Mesonen dennoch eine Vielzahl von Problemen. So ist bis dato nicht klar, wie sich die skalaren Resonanzen unter 1:8 GeV zusammensetzen. In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl von Möglichkeiten diskutiert, wie beispielsweise die Existenz eines Glueballs, die von mesonischen Molekülen sowie die von Tetraquarkzuständen. Alle diese Ansätze sind mehr oder weniger in der Lage, die Phänomene bei T = 0 zu erklären. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ansatz, Tetraquarkzuständen leichte skalare Resonanzen zuzuordnen.
Im Bereich der nichtverschwindenden Temperaturen wurden durch Gitterrechnungen große Erfolge erzielt, die aaffetiven Modellen bei nichtverschwindender Temperatur als Referenz dienen. Gleichwohl fehlt ein affektives Modell bei T <> 0, das einen Tetraquarkzustand beinhaltet. Hier setzt diese Arbeit an und erweitert das Modell, das leichte skalare Resonanzen mittels Tetraquarkzuständen erklärt, zu nichtverschwindenden Temperaturen.
In dieser ersten Studie zum Thema wird das Lineare Sigma-Modell um den leichtesten Tetraquarkzustand ergänzt und sein Einfluss auf den chiralen Phasenübergang untersucht.
Es zeigt sich, dass dieser Ansatz nicht nur Fragen im Bereich der Vakuumphysik lösen kann, sondern auch solche hinsichtlich der Restaurierung der chiralen Symmetrie.
Mit einem COLTRIMS Reaktions-Mikroskop wurde die Doppelionisation von Argon durch Laserpulse gemessen, um die Energiequantisierung im Allgemeinen und den Recollision Mechanismus zu untersuchen. Mit der Abhängigkeit der Doppelionisationsrate von der Elliptizität des Lichts liegt ein starker Hinweis auf ein Modell vor, welches Rescattering beinhaltet. Außerdem ist durch die Messung der Doppelionisationsrate gewährleistet, dass in einem Intensitätsintervall gemessen wurde, welches der nicht-sequentiellen Doppelionisation zugeschrieben wird.
Recollision-Ionization scheint für die in einem bestimmten Intensitätsintervall beobachtete erhöhte Doppelionisation verantwortlich zu sein. Das sollte zu ATI-Peaks in der Summenenergie der ausgelösten Elektronen führen. Diese werden in der vorliegenden Arbeit erstmalig beobachtet. Außerdem sind nicht erwartete ATI-Peaks im Energiespektrum der einzelnen Elektronen sichtbar, welche der direkten Stoßionisation widersprechen.
Dadurch liegt der Schluss nahe, dass der Hauptmechanismus der Doppelionisation in diesem Intensitätsbereich ein anderer Effekt ist: RESI (Recollision Excitation and Subsequent Ionization). Hierbei wird zunächst das zweite Elektron beim Stoß mit dem ersten angeregt. Das erste Elektron bleibt im Kontinuum und wird durch den Laser beschleunigt. Beim nächsten Feldmaximum wird das angeregte Elektron tunnelionisiert, wodurch ebenfalls ATI-Peaks im Energiespektrum dieses Elektrons erzeugt werden.
Als mögliche Zwischenzustände werden 3s23p4(1D)4s (2D) und 3s23p4(1D)3d (2P) identifiziert, die zu dem beobachteten angeregten Endzustand 3s23p4(1D) führen.
Im Jahr 1960 gelang es Theodore Mainman einen funktionierenden Laser zu bauen. Die Entwicklung dieser Technik war seitdem rasant. Im Alltag ist der LASER heute genausowenig wegzudenken wie in weiten Teilen der Forschung und Medizin. Er findet Anwendung in der Datentechnik (z.B. bei CDs und DVDs), hilft, Augenschäden zu heilen und hat natürlich auch weitreichende Bedeutung in der Physik. Besonders ultrakurze Pulse und hohe Energiedichten werden hierbei benötigt. Um hohe Energiedichten zu erreichen, müssen oft Verstärker (englisch: amplifier) benutzt werden. Häufig verwendet wird hierbei ein Aufbau, bestehend aus einem Stretcher, der schon bestehende Pulse zeitlich streckt, um Beschädigungen an optischen Geräten zu vermeiden, einem verstärkenden Medium, in dem der Puls durch stimulierte Emission verstärkt wird, und einem anschließenden Kompressor, der den Puls zeitlich wieder komprimiert. Hierbei kann man aber nur einen bestehenden Puls verstärken und nicht die zentrale Wellenlänge ändern. Gerade diese Art Verstärker wird jedoch in vielen Bereichen benötigt, in denen man infrarotes Licht mit durchstimmbarer Wellenlänge haben möchte. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, stellt der optisch-parametrische Verstärker dar. Eben dieser wird in der folgenden Arbeit behandelt und näher beschrieben.
This work is dedicated to the study of the vector and axial vector spectral functions of the τ lepton within the framework of a U(2)L × U(2)R Linear Sigma Model with electroweak interaction. As an effective field theory the Linear Sigma Model describes hadronic degrees of freedom based on the symmetries of the Standard Model. Therefore, the following section aims at giving a very general and concise introduction to the Standard Model and the meaning of symmetries for contemporary elementary particle physics. In the next section the SU(3)C symmetry group will be discussed in short, followed by an introduction to chiral symmetry SU(2)L × SU(2)R. In the last section of this chapter the Glashow-Weinberg-Salam theory of the local group SU(2)L × U(1)Y is presented. Important concepts of the theoretical framework of the Standard Model, such as the Noether Theorem, the Gauge Principle, Spontaneous Symmetry Breaking, and the Higgs Mechanism will be introduced in the context of these three symmetry groups. In Chapter 2 it will be first shown how the symmetries of the Standard Model are realised within the global U(2)L × U(2)R Linear Sigma Model and how electroweak interactions can be introduced to the model on the basis of local SU(2)L × U(1)Y symmetry transformations of the hadronic degrees of freedom. The vertices that are relevant for the vector and axial vector decay channels in weak τ decay are extracted from the Lagrangian with electroweak interaction in Chapter 3. This is followed by a short introduction to the Källen-Lehmann Representation of spectral functions and how these can be parametrised within the framework of this model (Chapter 4). The results of the vector and axial vector spectral functions are presented in Chapter 5 and 6.
Pion-Pion-Streuung in einem geeichten linearen Sigma-Modell mit chiraler U(2)R × U(2)L-Symmetrie
(2006)
Das Thema der vorliegenden Arbeit waren die leichten skalaren und vektoriellen Mesonen, die in einem chiral symmetrischen SU(2)-Modell zusammengefasst wurden; aufgrund der sich daraus ergebenden Lagrange-Dichte wurde die Streuamplitude für die Pion-Pion-Streuung im Vakuum berechnet, was sodann die Berechnung der s-Wellen-Streulängen an der Schwelle im Vakuum erlaubte.
In vorliegender Arbeit wurde ein lineares Sigma-Modell mit verktoriellen sowie axial-vektoriellen Freiheitsgraden durch Einkopplung des Dilatons verallgemeinert, wodurch Kontakt mit der Skalen-Anomalie erzielt wurde. Anschließend war die Intention, die Zerfallsbreiten des entmischten Sigmafeldes sowie des entmischten skalaren Glueballs, die mit den skalaren-isoskalaren Resonanzen f0(1370) und f0(1500) identi
ziert wurden, auf Baumdiagrammniveau zu berechnen und mit experimentellen Befunden zu vergleichen, um Aussagen über die Natur dieser Resonanzen im Rahmen der durchgeführten Studie machen zu können.
Ziel der Bachelorarbeit war es, einen Versuch für das Fortgeschrittenen-Praktikum des Instituts für Kernphysik zu konzipieren, der es ermöglicht, die Lebensdauer von aus der kosmischen Strahlung entstandenen Myonen zu bestimmen.
Dazu wurden vorhandene Komponenten auf ihre Gebrauchstauglichkeit getestet und untersucht, insbesondere in Bezug auf die Größe der Szintillatoren, ob der für einen Praktikumsversuch zeitlich gegebene Rahmen eingehalten werden kann.
Es ergaben sich einige mechanische Probleme, insbesondere bei der Verbindung der neuen, größeren Szintillatoren mit den Photomultipliern, die angegangen wurden. Die zuerst getestete Methode stellte sich jedoch als uneffektiv heraus, sodass die endgültige Lösung mit Hilfe einer neuen, computergesteuerten Fräsmaschine der Feinmechanik-Werkstatt erreicht werden soll.
Um die entstandenen Daten zu verarbeiten, wurde ein entsprechendes Programm in LabVIEW entwickelt, das die am TDC abgegriffenen Daten auf ihre Relevanz untersucht und die Ergebnisse in eine Textdatei schreibt. Das LabVIEW Front Panel wurde dabei so gestaltet, dass es den Praktikanten alle wichtigen Daten in graphisch anschaulicher Weise liefert.
Die Daten aus der Textdatei werden dann mit Hilfe eines ROOT Makros mit zwei verschiedenen Exponentialfunktionen gefittet.
In ersten Messungen ergibt sich ein Wert für die Lebensdauer der Myonen, der erstaunlich nahe am Literaturwert liegt.
In der vorliegenden Arbeit werden Stabilitätstests an einer Vieldrahtproportionalkammer nach ALICE-Geometrie vorgestellt. Wegen elektrischer Instabilitäten, das heißt dem Abschalten der Hochspannungsversorgung einzelner Kammern aufgrund von Entladungen an der Ausleseebene, wurde die ALICE-TPC bisher mit zwei unterschiedlichen Gasmischungen betrieben. Es wurden die Gasmischungen Ne-CO2 (90-10) und Ne-CO2-N2 (90-10-5) verwendet.
In dieser Arbeit soll nun mit systematischen Stabilitätstests mit einer α- und einer γ-Quelle am Testaufbau am IKF untersucht werden, ob eine Beimischung von Stickstoff zur Gasmischung Ne-CO2 wirklich positive Auswirkungen auf die elektrische Stabilität der Vieldrahtproportionalkammern der ALICE-TPC hat. Messungen mit der Gasmischung Ar-CO2 (90-10) dienen dabei als Referenzmessungen.
Zunächst wurden vorbereitende Messungen zum bessseren Verständnis des Einflusses der Ausleseelektronik auf die Padsignale am Testaufbau durchgeführt. Die Untersuchung der von einem Pulser induzierten Signale zeigt, dass keine Korrektur der Nullverschiebung nötig ist. Auÿerdem konnten durch diese Messung die Verstärkungsfaktoren des verwendeten Hauptverstärkers ermittelt werden. Ein weiterer wichtiger Faktor für Stabilitätstests ist die Genauigkeit des Mischungsverhältnisses des Gases. Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, wurde der Gasfliss der verschiedenen Kanäle des zur Herstellung der Gasmischung genutzten Gasmischers überprüft und so die Bereiche für den Gasfluss gefunden, in denen sich das Mischungsverhältnis nicht ändert.
Eine gute Auflösung kann mit Vieldrahtproportionalkammern erreicht werden, wenn die Kammern auch bei einem möglichst groÿen Gain noch stabil betrieben werden können. Um den Gain aus Anodestrommessungen bestimmen zu können, wurden die Primärströme für die α- und die γ-Quelle ermittelt.
Frühere Messungen mit einer γ-Quelle, aufgrund derer Stickstoff als Beimischung in den Fokus rückte, ließen vermuten, dass sich durch die Beimischung von Stickstoff die Stabilität der Auslesekammern verbessern lassen würde. Die durchgeführten Messungen mit der γ-Quellen sollten diese Aussage nun überprüfen. Sie können die früheren Ergebnisse jedoch nicht bestätigen, sondern zeigen, dass die Gasmischung Ne-CO2-N2 (90-10-5) im Gegensatz zur Gasmischung Ne-CO2 (90-10) bei Bestrahlung mit der γ-Quelle zu instabileren Bedingungen für die Auslesekammer führt.
Zum Erzeugen der Anodensignale bei Stabilitätstests wurden erstmals geladene Teilchen aus einer α-Quelle verwendet. Im Gegensatz zur Messung mit der γ-Quelle kann die Auslesekammer bei der Beimischung von Stickstoff zu Ne-CO2 bis zu einem um 25% höheren Gain stabil betrieben werden als bei der Gasmischung Ne-CO2.
Aufgrund des je nach verwendeter Quelle unterschiedlichen Effekts auf die Stabilität der Auslesekammer lässt sich nicht mit absoluter Sicherheit sagen, ob eine Beimischung von Stickstoff die gewünschten Auswirkungen hat. Allerdings werden die Spuren in der ALICE-TPC durch geladene Teilchen hervorgerufen, sodass die Messungen mit der α-Quelle den experimentellen Bedingungen bei ALICE näher kommen als die Messungen mit der γ-Quelle und deshalb die Gasmischung Ne-CO2-N2 (90-10-5) zu bevorzugen ist.
Tuning and optimization of the field distribution for 4-rod radio frequency quadrupole linacs
(2014)
In this thesis, the tuning process of the 4-rod Radio Frequency Quadrupole has been analyzed and a theory for the prediction of the tuning plate's influence on the longitudinal voltage distribution was developed together with RF design options for the optimization of the fringe fields.
The basic principles of the RFQ's particle dynamics and resonant behavior are introduced in the theory part of this thesis. All studies that are presented are based on the work on four RFQs of recent linac projects. These RFQs are described in one chapter. Here, the projects are introduced together with details about the RFQ parameters and performance. In the meantime two of these RFQs are in full operation at NSCL at MSU and FNAL. One is operating in the test phase of the MedAustron Cancer Therapy Center and the fourth one for LANL is about to be built. The longitudinal voltage distribution has been studied in detail with a focus on the influence of the RF design with tuning elements and parameters like the electrodes overlap or the distance between stems. The theory for simulation methods for the field flatness that were developed as part of this thesis, as well as its simulation with CST MWS have been analyzed and compared to measurements. The lumped circuit model has proven to predict results with an accuracy that can be used in the tuning process of 4-rod RFQs. Together with results from the tuning studies, the studies on the fringe fields of the 4-rod structure lead to a proposal for a 4-rod RFQ model with an improved field distribution in the transverse and longitudinal electric field.
Fast nuclei are ionizing radiation which can cause deleterious effects to irradiated cells. The modelling of the interactions of such ions with matter and the related effects are very important to physics, radiobiology, medicine and space science and technology. A powerful method to study the interactions of ionizing radiation with biological systems was developed in the field of microdosimetry. Microdosimetry spectra characterize the energy deposition to objects of cellular size, i.e., a few micrometers.
In the present thesis the interaction of ions with tissue-like media was investigated using the Monte Carlo model for Heavy-Ion Therapy (MCHIT) developed at the Frankfurt Institute for Advanced Studies. MCHIT is a Geant4-based application intended to benchmark the physical models of Geant4 and investigate the physical properties of therapeutic ion beams. We have implemented new features in MCHIT in order to calculate microdosimetric quantities characterizing the radiation fields of accelerated nucleons and nuclei. The results of our Monte Carlo simulations were compared with recent experimental microdosimetry data.
In addition to microdosimetry calculations with MCHIT, we also investigated the biological properties of ion beams, e.g. their relative biological effectiveness (RBE), by means of the modified Microdosimetric-Kinetic model (MKM). The MKM uses microdosimetry spectra in describing cell response to radiation. MCHIT+MKM allowed us to study the physical and biological properties of ion beams. The main results of the thesis are as follows:
MCHIT is able to describe the spatial distribution of the physical dose in tissue-like media and microdosimetry spectra for ions with energies relevant to space research and ion-beam cancer therapy; MCHIT+MKM predicts a reduction of the biological effectiveness of ions propagating in extended medium due to nuclear fragmentation reactions; We predicted favourable biological dose-depth profiles for monoenergetic helium and lithium beams similar to the one for carbon beam. Well-adjusted biological dose distributions for H-1, He-4, C-12 and O-16 with a very flat spread-out Bragg peak (SOBP) plateau were calculated with MCHIT+MKM; MCHIT+MKM predicts less damage to healthy tissues in the entrance channel for SOBP He-4 and C-12 beams compared to H-1 and O-16 ones. No definitive advantages for oxygen ions with respect to carbon were found.
An der Goethe Universität in Frankfurt wird ein Konzept für ein magnetostatischen Hochstromspeicherring für Protonen- und Ionenstrahlen entwickelt und untersucht. Zur Zeit stehen dem Experiment zwei Toroidsegmente und eine Volumenionenquelle zur Verfügung. An diesem Aufbau werden Experimente mit dem Ziel die Strahldynamik zu untersuchen und die Strahldiagnose in toroidalen Magnetfeldern zu entwickeln, durchgeführt [Joshi] Für Experimente ist eine Strahldiagnose entlang der starken toroidalen Magnetfelder bis maximal 0, 6T nötig. Dabei sind die zur Verfügung stehenden Strahldiagnoseverfahren zum Einen ein Faraday-Cup und zum Anderen ein entlang des kompletten Aufbaus beweglicher Szintillatordetektor. Der Szintillatordetektor, besteht aus einem Phosphorschirm und einer Kamera, die hinter dem Schirm angebracht ist. [Nonn] Aufgrund der geschlossenen Ringgeometrie und dem Anspruch auf eine hohe Flexibilität des Detektors ist die Konstruktion eines neuen von starken Magnetfeldern unbeeinflussbaren und sehr kompakten Detektors notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Strahldiagnoseverfahren zu entwickeln.
Der langsame Neutronen-Einfangprozess (s-Prozess) ist weitgehend verstanden und erforscht. Dies liegt vor allem daran, dass er im Gegensatz zu r- und p- Prozess hauptsächlich an stabilen Nukliden abläuft. Auch ist die Anzahl relevanter Reaktionen (Netzwerk) vergleichsweise klein.
Dennoch gibt es im s-Prozess viele ungeklärte Fragen. Eine dieser Fragen ist die Häufigkeitsverteilung von 86Kr in Staubkörnern von Meteoriten. Mit bisherigen Berechnungen und Simulationen dieser Szenarien konnte die Häufigkeitsverteilung von 86Kr jedoch nicht erklärt werden.
In dieser Arbeit werden die besonderen Eigenschaften von 85Kr, insbesondere sein Isomerzustand, vorgestellt und genauer untersucht. Die Häufigkeitsverteilung von 86Kr im s-Prozess wird entscheidend durch die Eigenschaften 85Kr beeinflusst. Mit den gewonnenen Daten aus dieser Arbeit wurde eine erste Simulation erstellt, die einen möglichenWeg aufzeigt, das Rätsel um die Häufigkeitsverteilung zu lösen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des 4π-Bariumfluorid(BaF2)-Detektors, der in Zukunft im Rahmen des FRANZ-Projektes (Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum) eingesetzt werden soll. Der Detektor soll zum Nachweis von γ-Emission zum Beispiel nach einem Neutroneneinfang genutzt werden, womit der (n,γ)-Wirkungsquerschnitt bestimmt werden kann. Hauptaufgabe dieser Arbeit ist die Bestimmung der Energie- und Zeitauflösung, sowie die Energie- und Zeitkalibrierung und die Effizienzbestimmung.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit war es, einen Überblick über die Größe der, durch Einbeziehung des Loop-Level-Diagrammes entstehenden, Korrekturen zu erhalten. Die Ergebnisse sollen eingrenzen, wann diese Korrekturen wichtig oder sogar dominant sind. Der Einfluss der Korrekturen lässt sich gut mit Hilfe von g0 und g00 einschätzen. So gilt für g0 gerade Γntl = 1.33 Γ, die Korrekturen sind also für die Berechnung wichtig jedoch nicht dominant. Für g00 beginnen die Korrekturen gerade dominant gegenüber den Berechnungen in erster Ordnung zu werden (es gilt hier Γntl = 2 Γ). Wie anhand von Tabelle 7.2 zu sehen werden die Korrekturen, abhängig von der Massenkonfiguration, ab etwa 1.6 − 2.2mS wichtig und ab etwa 2.2 − 3.4mS dominant. Für sehr kleine Massen mΦ liegt diese Grenze natürlich niedriger, es wurde jedoch gezeigt, dass die Korrekturen selbst für mΦ = 10−13mS erst ab etwa 0.65mS dominant sind. Praktisch dürften die Korrekturen daher nur sehr selten, wenn überhaupt für Werte von g < mS, eine nennenswerte Rolle spielen. Welchen Einfluss die Korrekturen bei realen Zerfallskanälen haben, sollte nun anhand der Zerfälle von f0(500), f0(980), f0(1370) und f0(1500) in Pionen gezeigt werden. Zusätzlich wurde für den Zerfall von f0(500) die Berechnung ein weiteres Mal mit endlichem (niedrigen) Cutoff durchgeführt, um dessen Auswirkungen auf die Ergebnisse zu betrachten. Dies ist dann wichtig, wenn die beobachteten Teilchen eine endliche, räumliche Ausdehnung haben (beispielsweise wenn wie hier Hadronenzerfälle betrachtet werden). Für f0(980) und f0(1500) stellen sich die Korrekturen, wie aufgrund der vorherigen Ergebnisse und des sehr kleinen Verhältnisses von Zerfallsbreite und Masse bereits erwartet, mit 1.22% beziehungsweise 0.032% als sehr gering heraus. Für f0(1370) ist das Verhältnis bereits deutlich größer, hier sind die Korrekturen mit 7.43% bereits im hohen einstelligen Prozentbereich und damit für genaue Rechnungen durchaus wichtig. Für f0(500) zeigt sich nun wiederum, dass die Korrekturen sehr groß sind, die Loop-Level-Kopplungskonstanten ist um 24.57% kleiner. Für diesen Zerfalll sollte also bereits bei einer Abschätzung das Loop-Level Diagramm einbezogen werden. Stellt man die Berechnung mit endlichem Cutoff an, so stellt sich heraus, dass sich die exakten Werte zwar durchaus verändern, die Änderungen sind jedoch nicht so groß dass die Ergebnisse drastisch abweichen. Die Kopplungskonstante wird bei dem angenommenen Cutoff Λ = 0.95 GeV um 6.47% größer. In allen Varitionen fallen die Korrekturen kleiner als 33% aus. Als letztes ist die Genauigkeit der hier erhaltenen Ergebnisse zu beurteilen. Theoretisch sollten die numerischen Berechnungen mit beliebiger Genauigkeit durchführbar sein. Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen trat jedoch das Problem auf, dass die numerischen Berechnungen des Integrals für Winkel sehr nahe 0° beziehungsweise 180° chaotisch wurden. Die Winkelintegration wurde daher nur von −0.99999 bis 0.99999 durchgeführt. Da das Impulsintegral bei diesen Winkeln etwa von der Größe 0.1 − 2 ist, abhängig von der Massenkonfiguration, entstehen dadurch Fehler der Größenordnung 10−5. Die Ursache für diesen Fehler liegt vermutlich darin begründet, dass sich für diese Winkel jeweils der dritte Pol auf den ersten und der vierte Pol auf den zweiten Pol verschiebt. In diesem Fall entsteht zwar an gleicher Stelle im Zähler eine Nullstelle (schaut man sich P1, P2 und P3 an, so befinden sich an diesen Stellen auch nur einfache Pole), die numerische Berechnung kann dadurch allerdings problematisch werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Genauigkeit von 4 Nachkommastellen allerdings als ausreichend betrachtet. Abschließend lässt sich sagen, dass die Korrekturen in (fast) allen betrachteten Fällen klein sind. In Einzelfällen können sie allerdings durchaus relevante Dimensionen erreichen, wie am f0(500) Zerfall zu sehen ist. In zukünftigen Arbeiten sollte dieses Thema also auch für Wechselwirkungen mit Ableitungen und nicht-skalare Teilchen aufgegriffen werden.
In dieser Arbeit wurden Simulationen des γ-Prozesses zu den vier p-Kernen 92;94Mo und 96;98Ru durchgeführt. Die Simulationen wurden mit den Simulationen aus [Rapp et al., 2006] verglichen, und die Ergebnisse waren bis auf wenige Ausnahmen die gleichen.
Die Untersuchung der Sensitivitäten auf insgesamt 38 geänderte Raten hat einige besonders wichtige Raten für jedes der Isotope identifiziert. Es stellte sich heraus, dass die Isotope jeweils auf eine destruktive Rate besonders sensitiv sind. Bei 92Mo war dies die 92Mo(γ,p) Rate, bei 94 die 94Mo(γ,n) Rate, bei 96Ru die 96Ru(γ,α) Rate und bei 98Ru die Destruktion über 98Ru(γ,n).
Diese Raten sind nur theoretisch bestimmt, haben aber großen Einfluss auf die Häufigkeiten der untersuchten Isotope. Experimentelle Untersuchungen dieser Raten sind nötig, um ein besseres Verständnis des γ-Prozesses in dieser Massenregion zu erlangen.
Leider konnten schon exisitierende neuere Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit nicht berücksichtigt werden, beispielsweise [Utsunomiya et al., 2013]. In zukünftigen Simulationen sollten diese Untersuchungen berücksichtigt werden. Außerdem sollten die Simulationen Neutroneneinfänge untersuchen, da diese vermutlich auch zur Produktion von 94Mo und 98Ru beitragen.
Ein Problem in dieser Arbeit war die Rekonstruktion der Reaktionsflüsse aus Raten und Häufigkeiten, in Zukunft sollten die Reaktionsflüsse direkt mitgeschrieben werden.
Die Unsicherheiten der Raten reichen nicht aus, um die Unterproduktion von 92;94Mo und 96;98Ru erklären. Zur Verdeutlichung dieser Tatsache befinden sich im Anhang A.15 Abbildungen der Überproduktionsfaktoren mit den geänderten Raten 92Mo(γ,p)x0.5 und 98Ru(γ,n)x0.5, also den beiden Raten, die eine Sensitivität größer eins aufweisen. Trotz der geänderten Raten werden 92Mo und 98Ru um mehr als einen Faktor 10 unterproduziert. Wenn man annehmen würde, dass die Sensitivität linear verläuft und eins beträgt, würde selbst die Reduktion der Raten auf Null nur eine Verdopplung der Häufigkeit bewirken. In der Realität wird sich die Sensitivität noch verringern, wenn andere Desintegrationsprozesse dominant werden. Es ist also nicht anzunehmen, dass die Unsicherheiten in diesen Raten die Unterproduktion erklären können. Dies war auch nicht erwartet worden[Rapp et al., 2006].
Einen größeren Einfluss auf die Endhäufigkeiten hat die Saatverteilung vor der Supernova Phase des Sterns. Diese wird durch einige entscheidende Reaktionen während der Sternentwicklung stark beeinflusst (Kapitel 1). Teilweise sind die Raten dieser Reaktionen mit großen Unsicherheiten behaftet, und eine Änderung führt zu sehr unterschiedlichen Häufigkeiten der p-Kerne [Pignatari et al., 2013]. Der Ort des p-Prozesses spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Supernova Ia oder Neutronensterne könnten entscheidend zur Produktion der p-Kerne beitragen, speziell bei den leichteren Kernen mit A < 110. Diese Szenarien sind aber schwerer zu modellieren und wenig untersucht [Rauscher, 2010]. In zukünftigen Arbeiten sollten diese Szenarien genauer untersucht werden. Die Unterschiede in Saatverteilung und Temperaturverlauf sowie die neutronenreiche Umgebung einer Supernova Ia lassen veränderte Sensitivitäten erwarten.
Zum besseren Verständnis des p-Prozess sind also sowohl weitere experimentelle Daten als auch weitere Untersuchungen der Rahmenbedingungen nötig.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Kalibrierung eines Neutronendetektorarrays für niedrige Energien (Low Energy Neutron detector Array, kurz „LENA“) am kommenden R³B-Aufbau (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) am FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) an der GSI in Darmstadt. Die Detektion niederenergetischer Neutronen im Bereich von 100 keV bis 1 MeV ist nötig, um Ladungsaustauschreaktionen, speziell (p,n)-Reaktionen in inverser Kinematik zu untersuchen. In diesem Energiebereich ist die Detektion äußerst schwierig, da Methoden für thermische als auch hochenergetische (100 MeV bis 1 GeV) Neutronen versagen. Neben dem Aufbau des Detektors wird die Bedeutung des Experiments für die nukleare Astrophysik verdeutlicht. Der theoretische Teil dieser Arbeit legt Grundlagen zum Verständnis für den Nachweis von Neutronen, die Funktionsweise des LENA-Detektors und den damit nachweisbaren Kernreaktionen. Des Weiteren wurde eine Simulation des Detektors mit GEANT4 (GEometry And Tracking), einer C++ orientierten Plattform für Simulationen von Wechselwirkungen von Detektormaterial mit Teilchen, durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Auswertung von Messungen, die im Rahmen einer Strahlzeit im März 2011 an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig durchgeführt wurden, herangezogen. Ziel der Arbeit ist es, die Effizienz des Detektors zu bestimmen.
This work derives the value of the neutron capture cross section of 60Fe at the energy of kT = 25 meV. Iron plays an important role in stellar nucleosynthesis, because it is a seed material for the s-process, a neutron capture process in which the elements between iron and bismuth are synthesized.
To determine the thermal neutron cross section of 60Fe, an iron sample produced in the framework of the ERAWAST1 program at the Paul Scherrer Institute in Switzerland was irradiated at the research reactor TRIGA2 at Johannes Gutenberg University in Mainz, Germany. Before the irradiation, the number of 60Fe particles in the sample was calculated using the decay scheme of 60Fe. There were (8.207 ± 0:066 stat 0:298 syst) * 10 14 60Fe particles in the sample.
The irradiation of the sample took place in May 2012. The counting of the reaction product, 61Fe, was undertaken using a HPGe detector located in a laboratory at Johannes Gutenberg University in Mainz. Knowing the number of 60Fe particles in the sample, the number of produced 61Fe particles and the neutron flux from the reactor, the thermal neutron capture cross section of ρth60Fe = (0.203 ± 0:021 stat 0:024 syst) b could be determined.
The determination of the thermal neutron capture cross section at the energy of kT = 25 meV constitutes to the first at this energy. There was already a measurement of the neutron capture cross section of 60Fe at the energy of kT = 25 keV in Karlsruhe in Germany. The result of the measurement was 25 keV = (9.9 ± 2:8 syst 1:4 stat) mb and was published in the year 2009 [14].
Adding datapoints for the cross section at different energies improves extarpolation and helps verification of theoretical models for elemental synthesis. For this reason, a measurement of the 60Fe neutron capture cross section at the energy of kT = 90 keV is planned at Goethe University Frankfurt, Germany.
Having the neutron capture cross section of 60Fe at the energy of kT = 25 keV measured in the year 2009 in Karlsruhe [14], at the energy of kT = 25 meV measured in May 2012 at Johannes Gutenberg University in Mainz and at the planned energy of kT = 90 keV at Goethe University Frankfurt, there will be three points for the extrapolation of the values for the neutron capture cross section of 60Fe. This will lead to a significant reduction in uncertainty with respect to existing theoretical discrepancies.
Neutroneneinfangquerschnitte werden häufig mithilfe der Aktivierungsmethode bestimmt. Hierbei wird die zu untersuchende Probe mit Neutronen der gew¨unschten Energie bestrahlt und danach in einem untergrundoptimierten Labor ausgezählt. Am Institut für Angewandte Physik der Goethe Universität Frankfurt wurde ein solcher Aufbau realisiert. Er besteht aus zwei Clover Detektoren, die gegenüberliegend in enger Geometrie angeordnet sind. Die aktivierte Probe wird mittels spezieller Probenhalter reproduzierbar und zentriert zwischen den Detektoren platziert. Die Clover Detektoren sind mit passiven Schilden (Pb) und einer aktiven Abschirmung (BGO) umgeben. Die unterschiedlichen Abschirmungen wirken sich in verschieden Energiebereichen jeweils anders aus.
Diese Arbeit befasst sich mit der astrophysikalischen Motivation und dem Aufbau, mit dem später die Ausbeute einer neutronenaktivierten Probe bestimmt werden kann. Außerdem werden die Ergebnisse der verschiedenen Untergrundmessungen miteinander verglichen.
The following thesis is the description and the analysis of time resolution measurements of the plastic scintillator protorypes bar with PMT (photomultiplier tube) readout, performed with a 31 MeV electron beam at the HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) [1]. Similar bars will be used as building blocks for the NeuLAND detector (new large area neutron detector) - a ToF (time of flight) wall within the R3B setup (Reactions with Relativistic Radioactive Beams [2]) at the future FAIR facility (GSI Darmstadt [3]). The superconducting ELBE (electron linear-accellerator for beams of high brilliance and low emittance) was used as an electron source. The scintillation material used was RP408.
Two series of measurements were made within three months. In the first series, three bars of different sizes (200 x 5 x 5 cm3; 200 x 3 x 3 cm3; 300 x 5 x 5 cm3, the latter was made by coupling one 100 cm bar with a 200 cm bar using silicon grease) were used in the experiment consecutively. They had one Hamamatsu R8619 photomultiplier tube with an active diameter of 22 mm attached to each side with silicon grease. A measurement with the 200 x 5 x 5 cm3 bar without silicon grease was also performed.
In the second series, two equal scintillator bars (270 x 5 x 5 cm3 with a 10 cm light guide) on each side were used. Measurements with and without silicon coupling as well as with two different types of PMTs (R8619 and R2059) were executed.
Time and charge signals were processed with the TACQUILA electronic board. The time resolution was measured with the very precise pulsed electron signal of the accelerator. The time resolution measurements resulted in ρ200x5x5 ~ 159 ps; ρ200x5x5,no silicon ~ 162 ps; ρ200x3x3 ~ 153 ps; ρ300x5x5 ~ 204 ps.
For the second date they resulted in ρR8619 ~ 149 ps; ρR8619, no silicon ~ 175 ps; ρR2059 ~ 141 ps.
More tests and analysis is required until the results are definite.
Ziel dieser Arbeit ist es einen geeigneten Szintillationsdetektor für die Messungen differentieller Neutroneneinfangquerschnitte im FRANZ-Aufbau zu finden. Dafür wurde untersucht inwiefern sich das Szintillatormaterial LaBr3(Ce) (Lanthanbromid) eignet. Verwendet wurde eine Anordnung von zwei Szintillationsdetektoren dieses Typs. Mit Hilfe von Kalibrationsquellen wurden charakteristische Größen, wie Effizienz (Nachweiswahrscheinlichkeit) und Auflösungsvermögen untersucht und die ermittelten Werte mit GEANT-3.21 Simulationen [2] verglichen.