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Hochenergie-Ionen-Detektoren für die Fit-FISIC-Kollaboration

Christoph Hahn

Kollaboratoren:
INSP, Université Pierre et Marie Curie
CIMAP, Université de Caen Basse Normandie
Friedrich-Schiller-Universität Jena
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH


Die im April 2014 gegründete, deutsch-französische Fit-FISIC-Kollaboration soll das aus verschiedenen Gründen bislang weitestgehend vernachlässigte Feld der Stöße zwischen schnellen und langsamen Ionen untersuchen[1]. Ein großer Teil der Materie des Universums liegt als ionisiertes Plasma vor - auf der Erde tritt dieser Aggregatzustand allerdings offensichtlich nur selten auf - und Ionenstöße spielen für viele der dort ablaufenden Prozesse eine tragende Rolle. Die Aufmerksamkeit der Kollaboration wird dabei besonders auf den Energiebereich gerichtet sein, in dem die Relativgeschwindigkeit zwischen Projektil und Stoßpartner nahe der Elektronengeschwindigkeit liegt: hier erfahren die Ionen maximale Abbremsung, gleichzeitig nehmen die Wirkungsquerschnitte für eine Reihe von Wechselwirkungsmechanismen ähnliche Größenordnungen an[2]. Aufgrund dieser komplexen Gegebenheiten gestaltet sich die experimentelle Bestimmung einzelner Querschnitte schwierig, während andererseits die Möglichkeiten zur theoretischen Behandlung derartiger Probleme wegen des zugrundeliegenden Vielkörperproblems stark eingeschränkt sind. Die geplanten Experimente, die an SPIRAL2 (Caen, zur Zeit im Bau befindlich) sowie dem vorzeitig bei FAIR in Betrieb gehenden Speicherring CRYRING durchgeführt werden sollen, versprechen deshalb wertvolle Erkenntnisse über die in Plasmen auftretenden Wechselwirkungsprozesse.
Arbeitsgruppen an der FSU und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt übernehmen gemeinsam Entwurf und Konstruktion des Detektorsystems für den Hochenergie-Zweig der Experimente. Dabei gilt es, verschiedene Herausforderungen zu meistern:

     Da die Reichweite geladener Teilchen in Materie weit unterhalb derer von Photonen vergleichbarer Energie liegt, muss der Sensor fensterlos ausgeführt werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass einfallende Ionen bereits gestoppt werden, bevor sie das Detektormaterial erreichen.

     Ionen verschiedener Ladungszustände werden im Strahlrohr unterschiedlichen Bahnen folgen, sodass ein möglichst vielseitiges System positionierbar sein muss. Dabei sollte ein Brechen des Vakuums vermieden werden.

     Eine zentrale Aufgabe ist das Erreichen der nötigen Strahlungsfestigkeit. Typische Systeme, etwa auf Basis von Halbleitern oder Mikrokanalplatten, werden durch die bei Bestrahlung mit geladenen Teilchen auftretende lokale Energiedeposition (eine als Bragg-Peak bezeichnete Eigenart der Energieverlustkurve) dramatisch geschädigt und sind daher kaum für die geplanten Versuche geeignet.


Einen möglichen Ansatz zur Lösung dieser Probleme bietet die Verwendung von künstlichen Diamanten als Detektormaterial. Diese sind zwar höchstwahrscheinlich bedeutend langlebiger als andere Halbleiter[3], bringen jedoch erhebliche Kosten mit sich. Aus diesem Grund wird an der FSU zusätzlich die Realisierbarkeit eines Sensors untersucht, der die einfallenden Ionen über einen Szintillator nachweisen würde; das Material YAP:Ce wurde beispielsweise bereits erfolgreich zur Ionendetektion eingesetzt[4]. Ein solches System wäre nicht nur wesentlich günstiger umzusetzen, sondern verspricht auch überraschend unempfindlich gegenüber Strahlenschäden zu sein[5]. Außerdem erleichtert es die Konstruktion großer Detektoroberflächen, wohingegen Diamantsubstrate mittels CVD hergestellt werden und dadurch auf Abmessungen im Zentimeterbereich beschränkt sind. Eine erste Studie dieses Konzepts, in deren Rahmen Proben des Szintillatormaterials am Tandembeschleuniger des Instituts für Festkörperphysik bestrahlt wurden, hat die Eignung des vorgeschlagenen Aufbaus vollumfänglich bestätigt; die gefundene Zerstörschwelle (50% Pulshöhenverlust) liegt bei einer Fluenz von etwa 1013 cm-2.


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Abbildung 1: Bremsvermögen und Wirkungsquerschnitte verschiedener Wechselwirkungs­mechanismen bei der Kollision von Protonen mit Wasserstoffatomen. Im Rahmen der Fit-FISIC-Kollaboration wird vor allem der Bereich um 100 keV Protonenenergie untersucht, in dem die Wechselwirkungs- wahrscheinlichkeiten maximal sind.



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Abbildung 2: Geplanter Aufbau der Ionenstoßexperimente. Die FSU-Arbeitsgruppe konstruiert das System zum Nachweis der hochenergetischen Ionen.


Referenzen:

[1] Fit-FISIC Collaboration, ed.: Project Fit-FISIC. Scientific Document (2013)

[2] Vernhet, D.; Rozet, J. P.; Wohrer, K.; Adoui, L.; Stéphan, C.; Cassimi, A.; Ramillon, J. M.: Excitation in Swift Heavy Ion-Atom Collisions. Nucl. Instr. and Meth. B 107 (1996), pp. 71-78. DOI: 10.1016/0168-583X(95)00807-1

[3] Kramberger, G.: Radiation damage in diamond detectors. Proceedings of Vertex 2012 (2012)

[4] Klamra, W.; Kerek, A.; Kallberg, A.; Cederwall, B.; Novák, D.; Norlin, L.-O.; Westman, S.; Osterdahl, F.: Fast inorganic scintillators in extreme ultra high vacuum applications. IEEE Nuclear Science Symposium 2001 Conference Record (2001), pp. 346-348. DOI: 10.1109/NSSMIC.2001.1008473

[5] Tokman, M.; Glans, P.; Lindroth, E.; Schuch, R.; Björkhage, M.; Danared, H.; Källberg, A.; Pajek, M.; Norlin, L.-O.: Towards a Determination of QED Effects in Cu-Like Pb Recombination Resonances Near Threshold. Phys. Scripta 2001, p. 406. DOI: 10.1238/Physica.Topical.092a00406