Einfluss der Umladung beim Abbremsen von Schwerionen im Energiebereich (100 - 1000) MeV/u

Abstract

In dieser Arbeit wurde der Energieverlust und die Umladung relativistischer Bismut-, Blei- und Goldionen in Materie im Bereich von 100MeV/u bis 1000 MeV/u untersucht. Die Experimente wurden mit dem Magnetspektrometer FRS der Gesellschaft für Schwerionenforschung durchgeführt. In mehrerenStrahlzeiten wurden atomare Umladungsquerschnitte, Gleichgewichtsladungsverteilungen, Stopping-Power-Werte und dieEnergieverluststreuung in Festkörpern gemessen. Dazu wurde der FRS in verschiedenen ionenoptischen Einstellungen eingesetzt und diegenannten atomaren Wechselwirkungen in unterschiedlichen Materialien von Beryllium bis Blei (Z = 4 - 82) untersucht. Ein Hauptziel war die Ladungsabhängigkeit der Stopping-Power präzise zu vermessen. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass miteinem Modell basierend auf der genauen Kenntnis der Ladungsverteilung in Kombination mit der LS-Theorie [1] die Beschreibung derStopping-Power mit einer Genauigkeit von 1% möglich ist [2]. Da somit die Energieverluste auf einer sicheren Grundlage stehen und die Umladungsquerschnitte aus Theorie und den durchgeführtenMessungen hinreichend gut bekannt waren, war es zum ersten Mal möglich, genau zwischen den Beiträgen des Umladungs-Straggling unddes Kollisions-Straggling zur Energieverluststreuung zu unterscheiden. Dabei stellte sich heraus, dass das Umladungs-Straggling inTargetmaterialien mit niedriger Ordnungszahl zu einer drastischen Verbreiterung der Energieverteilung führt [3]. Die experimentellen Ergebnisse zum Umladungs-Straggling konnten auch mit einem Simulationsprogramm bestätigt werden. DieseRechnungen erlauben zusätzlich Rückschlüsse auf die Rolle der unvollständigen Abschirmung der Projektile in nahen Stößen. Eine solcheUntersuchung ist für Schwerionen ein neuer Zugang, da mit dem Umladungs-Straggling direkt die Differenzen der partiellenStopping-Power gemessen werden. Somit liefert diese Analyse die Bausteine für eine notwendige Erweiterung der LS-Theorie. Die Genauigkeit der Messungen erlaubt sogar das dritte statistische Moment der Energieverlustverteilung zu bestimmen. Die dabeierstmals festgestellte Asymmetrie durch das Umladungs-Straggling basiert auf den großen freien Weglängen im untersuchten Energie- undTargetbereich. Die neuen Resultate aus dieser Arbeit zur atomaren Wechselwirkung von relativistischen Schwerionen haben direkte Anwendung bei derSeparation von exotischen Nukliden, die durch Fragmentation oder Spaltung im Flug erzeugt werden. Wie in dieser Arbeit gezeigt wurde,ist die Auflösung eines Separators, der nach dem B - E - B Prinzip arbeitet, vor allem durch die Streuung des Energieverlustes inMaterie bestimmt. In this thesis the energy loss and charge exchange of relativistic gold, lead, and bismuth ions in matter was studied in the range from 100MeV/u to 1000 MeV/u. The investigations were performed using the magnetic spectrometer FRS at GSI. In several experimental runs the atomic charge-changingcross sections, equilibrium charge state distributions, stopping-power values, and energy-loss straggling in solids were measured. For thispurpose the FRS was operated in different ion-optical modes and the atomic interactions were investigated in various materials rangingfrom beryllium to lead (Z = 4 - 82). One main goal was to precisely determine the charge dependence of the stopping power. As it could be shown for the first time, a modelbased on the accurate knowledge of the charge state distribution in combination with the LS theory [1]. can describe the stopping powerwithin an accuracy of 1% [2]. Thus the energy loss is on a solid basis and the charge-changing cross sections are known sufficiently well from theory and the conductedexperiments. Therefore, it was possible for the first time to distinguish precisely between the contributions from charge-exchange stragglingand collisional straggling to the variation of the energy loss. As a result we found a drastic enhancement due to charge-exchange stragglingin target materials with low atomic number [3]. The experimental results on charge-exchange straggling could also be confirmed by a simulation program. In addition these calculationsallow to draw a conclusion on the role of incomplete screening of the projectile in close collisions. Such investigations offer a new approachfor heavy ions since with charge-exchange straggling one can measure directly the differences in the partial stopping powers. In this waythe analysis opens the path for a necessary expansion of the LS theory. The accuracy of the measurements even allows to study the third statistical moment of the energy-loss distribution. The skewness due tocharge-exchange straggling is caused by the large free path length in the energy and target domain investigated and was also observed forthe first time. The new results on the atomic interaction of relativistic heavy ions from this thesis have a direct application in separating exotic nucleiproduced by fragmentation or fission in flight. As has been shown in this thesis, the resolution of a separator operating by the B - E - Bmethod is mainly governed by the variation of the energy loss in matter. The energy-loss straggling also determines the range distribution of stopped fragments. A combination of dispersive spectrometer stageswith shaped degraders allows a range bunching. Therefore, this will be essential for new developments on the field of experiments withexotic nuclear beams. For instance, these new applications will be part of the new facilities in the USA (RIA), Japan (RIKEN) and at GSI(SUPER-FRS).