Universität zu Köln

Pfeiffer, Michael (2013). Development of a Beam Profile Monitor/Time of Flight setup for HISPEC/DESPEC for FAIR. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Helmholtz Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH will be expanded by the Facility for Antiproton and Ion Research in upcoming years. Different, international collaborations have been formed in order to effectively use the accelerator facilities, which will become available. The collaboration Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions deals with the usage of high energetic, radioactive ion beams for nuclear physics experiments. During such experiments it is possible to slow down these ions to energies of 5 to 10 MeV/u to open certain reaction channels. A problem with the slowing down is the introduction of additional energy and spatial straggling as well as a further fragmentation of the original ion beam. To be able to nevertheless select the desired ion, an additional detector is needed directly after the slowing down and before the target. Within the framework of this thesis, such a detector system has been developed and tested. One demand to such a system is a largest possible transparency, not to degrade or even stop the ion beam, which is to be examined. As a solution a design on the basis of an emissive foil has been chosen. Thereby electrons will be emitted out of a thin foil if passed by an ion. These so-called secondary electrons are then accelerated and confined by an electrostatic top-assembly towards the proper detector head where they are position sensitively registered. In this way the ions can be detected indirectly. Using two of such units, the flight path of a single ion can be reconstructed and discriminated against other kinds of ions, additionally. A first prototype was built and continuously developed further. By measurements with radioactive sources its efficiency, spatial and timing resolution was tested. The insights gained therefrom were used to develop a second prototype. With regards to the future use, an as compact as possible, integrated design has been focused on. To investigate the second prototype, a dedicated beamline for detector tests and the simulation of slowed down beams was built at the Cologne FN tandem accelerator. This testbed is open to the collaboration and has already been used successfully.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Entwicklung eines Strahlprofilmonitors/Flugzeitdetektor für HISPEC/DESPEC für FAIR German
Translated abstract:	Abstract Language Die Helmholtz Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH wird in den kommenden Jahren um die Facility for Antiproton and Ion Research erweitert. Im Rahmen dieser Erweiterung haben sich verschiedene internationale Kollaborationen entwickelt, um die dann zur Verfügung stehenden, neuen Beschleunigeranlagen effektiv zu nutzen. Die Kollaboration Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions, kurz \NUSTAR, beschäftigt sich mit der Nutzung hoch-energetischer, radioaktiver Ionenstrahlen für kernphysikalische Messungen. Im Rahmen solcher Messungen ist es möglich, solche Ionen auf Energien von 5 bis 10 MeV/u abzubremsen, um Reaktionskanäle zu öffnen. Das Problem beim Abbremsen ist eine zusätzliche Streuung der Energie sowie der Flugrichtung, als auch eine weitere Fragmentierung des originären Ionenstrahls. Um dennoch eine Selektion der gewünschten Ionen zu ermöglichen, bedarf es eines zusätzlichen Detektors unmittelbar nach dem Abbremsen und vor der zu untersuchenden Probe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde solch ein Detektorsystem entwickelt und getestet. Eine Anforderung an ein solches System ist eine größtmögliche Transparenz, damit der zu untersuchende Ionenstrahl nicht mehr wechselwirkt als nötig oder gar gestoppt wird. Als Lösung wurde ein Design auf Basis einer Emissionsfolie gewählt. Dabei werden Elektronen aus einer dünnen Folie emittiert, sobald Ionen diese passieren. Diese sogenannten Sekundärelektronen werden durch einen elektrostatischen Aufbau beschleunigt und auf den eigentlichen Detektorkopf gelenkt und dort ortssensitiv registriert. So können die Ionen indirekt nachgewiesen werden. Mittels zwei solcher Einheiten kann die Flugbahn eines einzelnen Ions rekonstruiert werden und zusätzlich über die Flugzeit von andersartigen Ionen separiert werden. Ein erster Prototyp wurde gebaut und dabei kontinuierlich weiterentwickelt. Mittels diverser Messungen mit radioaktiven Quellen wurde er auf seine Effizienz, Orts- und Zeitauflösung hin untersucht. Die so gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Entwicklung eines zweiten Prototyps ein. Dabei wurde im Hinblick auf die zukünftige Verwendung das Augenmerk auf ein möglichst kompaktes, integriertes Design bei gleichzeitiger Verbesserung der Detektoreigenschaften gelegt. Um den zweiten Prototyp zu untersuchen, wurde ein spezielles Strahlrohr zum Test von Detektoren und zur Simulation von abgebremsten Ionenstrahlen am Kölner FN Tandembeschleuniger errichtet. Dieser Messplatz steht der Kollaboration zur Verfügung und wurde schon erfolgreich benutzt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pfeiffer, Michael pfeiffer@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-53353
Date:	21 October 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Time of Flight; Micro Channel Plates; Secondary Electron Detector; Thin Film Detector; Thin Foil Detector; Beam Profile Monitor; FAIR; GSI; Slowed Down Beam English
Date of oral exam:	18 October 2013
Referee:	Name Academic Title Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5335