Super-FRS : The next generation exotic nuclear beam facility at GSI

Abstract

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 Aufbau von neuen leistungsfähigen Anlagen mit exotischen Kernstrahlen konzentrieren. Drastische Steigerung 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. Diesen Herausforderungen stellt sich die GSI mit ihrem internationalen Zukunftsprojekt, in dem der Super-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 40 pi mm mrad und einer Impulsakzeptanz von dp/p = ±2.5% aus. Damit ist es möglich, neben der Fragmentation von Projektilstrahlen insbesondere auch die Spaltung von Uranstrahlen als Produktionsmethode zur Erzeugung extrem neutronenreicher Nuklide einzusetzen. Die Transmission von Projektilfragmenten durch den Super-FRS ist nahe 100% und die von Uran-Spaltfragmenten 40-50%. Diese Transmission für Spaltfragmente ist mehr als eine Größenordnung höher als sie jetzt am FRS für leichte Kerne (78Ni) erreicht wurde. Die maximale magnetische Steifigkeit des Super-FRS beträgt 20 Tm, dies entspricht einem U92+ 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 Separation und ermöglicht auch den Betrieb des Super-FRS als hochauflösendes Spektrometer. Das Separationsprinzip des Super-FRS beruht auf der sogenannten Brho-dE-Brho 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 Analysestufen in einer dispersiven Fokalebene angeordnet ist. Beim Super-FRS sind zwei solche Stufen hintereinander geschaltet, wobei jede Stufe mit einem Ener-gy Degrader ausgestattet ist. Diese Kaskadenanordnung erlaubt den Untergrund effizient zu unterdrücken und isotopenreine Nuklidstrahlen 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 Abbildungsfehler des ionenoptischen Systems eine große Rolle. Der Super-FRS ist deshalb nicht nur mit Hexapol-Korrekturelementen ausgestattet, wie dies beim FRS der Fall ist, son-dern 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 Experimentanordnungen 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 untersucht. Besonders interessant war der Einsatz von gepulsten kurzbrennweitigen Linsen, die zum Aufbau eines Strahlkondensor Systems verwendet werden können.