Super-FRS [Elektronische Ressource] : the next generation exotic nuclear beam facility at GSI / vorgelegt von Vladimir N. Chichkine

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• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
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Extrait

InauguralDissertationzurErlangungdes
DoktorgradesderNaturwissenschaften
derJustus-LiebigUniversitätGießen
(FachbereichPhysik)
SUPER-FRS.THENEXTGENERATIONEXOTIC
NUCLEARBEAMFACILITYATGSI
vorgelegtvon
VladimirN.Chichkine
geboreninSt.-Petersburg
Gießen,Juni2003
Gutachter:Prof.Dr.HansGeissel
Prof.Dr.VolkerMetagZUSAMMENFASSUNG
Energiereiche Strahlen exotischer Kerne oberhalb der Coulomb Barriere haben in der Kernphysik
eine neue Dimension eröffnet. Deshalb gibt es weltweit große Anstrengungen, die sich auf den Auf-
bau von neuen leistungsfähigen Anlagen mit exotischen Kernstrahlen konzentrieren. Drastische Stei-
gerung der Strahlintensitäten der exotischen Nuklide, um in unbekannte Bereiche der Nuklidkarte
vordringen zu können und das Erreichen von höherer Präzision sind die wichtigsten Ziele dabei. Die-
sen Herausforderungen stellt sich die GSI mit ihrem internationalen Zukunftsprojekt, in dem der Su-
per-FRS mit den Ionenspeicherringen wichtige Bestandteile sind.
Die ionenoptischen Berechnungen des neuen supraleitenden Fragmentseparators (Super-FRS) sind
ein Hauptziel dieser Arbeit. Der Super-FRS zeichnet sich durch eine hohe Phasenraumakzeptanz
von e = e = 40 p mm mrad und einer Impulsakzeptanz von dp/p = ±2.5% aus. Damit ist esx y
möglich, neben der Fragmentation von Projektilstrahlen insbesondere auch die Spaltung von Uran-
strahlen als Produktionsmethode zur Erzeugung extrem neutronenreicher Nuklide einzusetzen. Die
Transmission von Projektilfragmenten durch den Super-FRS ist n ahe 100% und die von Uran-
Spaltfragmenten 40-50%. Diese Transmission für Spaltfragmente ist mehr als eine Größenordnung
78höher als sie jetzt am FRS für leichte Kerne ( Ni) erreicht wurde. Die maximale magnetische Stei-
92+figkeit des Super-FRS beträgt 20 Tm, dies entspricht einem U Strahl mit einer Energie von 1.5 A
GeV. Die maximale Strahlenergie ist so gewählt, um auch die schwersten Fragmente völlig ionisiert
nach dem Produktionstarget analysieren zu können. Die ionenoptische Impulsauflösung an der
dispersiven Mittelebene des Super-FRS beträgt 1500 bei einem Strahlfleck von 1 mm und der oben
angegebenen Phasenraumakzeptanz. Dies garantiert die geforderte Isotopenreinheit in der Separati-
on und ermöglicht auch den Betrieb des Super-FRS als hochauflösendes Spektrometer.
Das Separationsprinzip des Super-FRS beruht auf der sogenannten Br-DE-Br Methode. Hierbei
wird eine zweifache Analyse der Ionen nach ihrer magnetischen Steifigkeit mit dem Energieverlust in
einem speziell geformten Materieblock (Energy Degrader) kombiniert, der zwischen den beiden A-
nalysestufen in einer dispersiven Fokalebene angeordnet ist. Beim Super-FRS sind zwei solche Stu-
fen hintereinander geschaltet, wobei jede Stufe mit einem Energy Degrader ausgestattet ist. Diese
Kaskadenanordnung erlaubt den Untergrund effizient zu unterdrücken und isotopenreine Nuklid-
strahlen bereitzustellen. Beide Separatorstufen (Pre- and Main Separator) sind im Standardbetrieb
achromatische Systeme. Dies erlaubt eine Ortsabbildung des Fragmentstrahles vom Target zum
Endfokus, die unabhängig von der großen Impulsverteilung der Fragmente ist. In einem solchen
System kann die beste räumliche Trennung der Isotope erreicht werden.
Aufgrund der hohen Winkel- und Impulsakzeptanz des Separators spielt die Korrektur der Abbil-
dungsfehler des ionenoptischen Systems eine große Rolle. Der Super-FRS ist deshalb nicht nur mit
Hexapol-Korrekturelementen ausgestattet, wie dies beim FRS der Fall ist, sondern zusätzlich auch
mit Oktupol-Korrekturelementen. Die Korrekturmagnete können als Oberflächenspulen ausgeführt
werden, die den Quadrupolfeldern überlagert werden.
Ähnlich wie am FRS erprobt, wird der Super-FRS mit drei Zweigen die verschiedenen Experiment-
anordnungen versorgen. Die ionenoptischen Berechnungen dieser Experimentierzweige unter der
Einbeziehung der Targetregion waren ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Strahlfleckgröße
bestimmt direkt die erreichbare Isotopentrennung und auch die Transmission. Es ist vorgesehen das
Fokussierungssystem, bestehend aus supraleitenden Linsen, so flexibel zu gestalten, dass es sowohl
mit dem neuen Beschleuniger als auch dem jetzigen SIS18 Beschleuniger bedient werden kann.
Die Gesamtkonzeption des Super-FRS basiert auf den Erfahrungen aus dem Experimentbetrieb mit
dem FRS. Vorteilhaft für einige notwendige Neuentwicklungen am Super-FRS ist, dass diese direkt
am jetzigen FRS-System schon erprobt werden können. Verschiedene neue Betriebsarten und die
dabei auftretenden Bildfehler wurden in dedizierten Experimenten im Rahmen dieser Arbeit unter-sucht. Besonders interessant war der Einsatz von gepulsten kurzbrennweitigen Linsen, die zum Auf-
bau eines Strahlkondensor Systems verwendet werden können.Contents
1 Introduction 4
st2 1 order ion optics of fragment separators 7
2.1 Motion of charged particles in electromagnetic …elds . . . . . . . . . . 7
st2.2 Method of 1 order transfer matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 The …eld-free region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 The sector magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 The quadrupole lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Particle beams and phase space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Phase space areas of particle beams . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Twiss parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Complex systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1 Example 1: Beam Rotator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Example 2: the FRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Ion optical systems with matter 23
3.1 Non-Liouvillian elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 One-stage fragment separators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Separation quality of a one-stage fragment separator . . . . . . . . . 29
3.4 Separation quality of a two-stage fragment separator . . . . . . . . . 31
4 Production and separation of exotic nuclei 34
4.1 Exotic nuclei produced In-Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.1 Projectile Fragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.2 Projectile Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 In-Flight separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 Separation by A and Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.2 Energy operation domain of the projectile . . . . . . . . . . . 43
4.3 Limitations of the present exotic beam facility at GSI . . . . . . . . . 45
15 From SIS100/200 to the Super-FRS target 47
5.1 Accelerator concept of the new GSI facility . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2 Beam transport from SIS100/200 to the Super-FRS target . . . . . . 48
5.3 Focusing systems for the Super-FRS target . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4 Condenser lens systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4.1 Front-end lens system for the Super-FRS . . . . . . . . . . . . 55
5.4.2 Pulsed quadrupoles for condenser lens systems of short focal
length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 Design of the Super - FRS 62
6.1 Design goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
st6.2 General layout and 1 order optics of the standard achromatic mode 64
6.2.1 The Super-FRS using a ”horizontal” pre-separator . . . . . . . 65
6.2.2 The Super-FRS using a ”vertical” pre-separator . . . . . . . . 69
6.3 Magnetic elements for the Super-FRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3.1 Bending magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3.2 Quadrupole lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.3 Higher-order multipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4 Separation performance with two degrader stages . . . . . . . . . . . 74
6.5 Comparison of the Super-FRS and the FRS for the 1-st order achro-
matic mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.6 Flexibility of the Super-FRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.6.1 Spectrometer mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.6.2 Low dispersion mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.6.3 Separator-buncher mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.6.4 Separator-buncher mode tested at the FRS . . . . . . . . . . . 82
6.6.5 Dispersive mode of the pre-separator . . . . . . . . . . . . . . 85
6.6.6 De…ning the direction of separation cuts. . . . . . . . . . . . . 86
6.7 Overall facility layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.7.1 High energy branch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.7.2 Ring branch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.7.3 Low energy branch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7 Image aberrations and their correction 96
7.1 High order ion optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.1 Classi…cation of aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.2 Correction of image aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.2 Aberrati