Characterization and optimization of a time-of-flight detector for isochronous mass measurement at the ESR

Abstract

Isochronous Mass Spectrometry has been developed to measure masses of exotic nuclei with lifetimes as short as a few tens of microseconds at the FRS-ESR facility at GSI. For measurement of the ions revolution frequencies, a time-of-flight detector is used. Secondary electrons released from a thin carbon foil at each passage of the stored ion through the detector are transported to micro-channel-plates (MCP) by electric and magnetic fields. This time-of-flight detector, currently installed in the ESR to measure the masses of ions in the isochronous mode, was investigated in this work by experiments and realistic simulations. The detector efficiency was optimized off line with a-particles and electrons and tested on line with a stable Nickel beam. All stages of the detector from the creation of secondary electrons to the final timing signals were examined. The typical number of secondary electrons released per ion can be estimated within a factor of two using an empirical formula. The formula incorporates the target properties andthe electronic stopping power of the ion. Typical average electron numbers for mass measurements in the isochronous mode range from 1 to 10 electrons. The transport of the electrons from the foil to the MCP was calculated for the first time using the 3-dimensional geometry of the detector. The simulation helped to understand the transport of the electrons in the detector and thus optimize the detection efficiency while preserving the timing performance. With the calculate settings the detection efficiency and also the detection duration on one MCP detector side were significantly improved (factor of 2). The detection efficiency of the MCP in dependence of the average number of secondary electrons was also examined in the experiment. The detection efficiency of the MCP detector for a Ni-projectile at 372 MeV/u was estimated to be about 88%. In addition saturation effects of the MCPs were examined . The saturation effect is a dead time effect, which happens because of the large recharge time of the micro channels (1-10 ms) compared to the measurement time (400 ms). This effects causes the decrease of the gain and so the amplitude of the signals. This also will have the effect of decrease of the detection efficiency. The dependence of the detection efficiency of the thickness ofcarbon foils was measured and yields an excellent detection efficiency for foil thickness down to 10 µg/cm². Using thinner foils will allow longer observation times in the ring due to less energy loss and straggling. By taking all these effect into account it is possible to describe the behaviour of the detection efficiency and the amplitude in dependence of the turn number. This new knowledge makes it possible to further improve the detector in the ESR and within the ILIMA project to develop a new dual detector system for the CR at FAIR. Die isochrone Massenmessung, die am Fragmentseparator (FRS) und Experiment-Speicherring (ESR) der GSI in Pionierexperimenten durchgeführt wird, erlaubt es Massen exotischer Kerne mit Lebensdauern von einigen 10 Mikrosekunden miteiner Genauigkeit von einigen 100 keV zu messen. Die exotischen Kernewerden durch Projektilfragmentation und Uranspaltung am Eingang des FRS bei relativistischen Energien erzeugt, im Fluge räumlich getrennt und danach in den Speicherring eingeschossen. Die Impulsverteilung der erzeugten Fragmente ist bis zu einigen Prozenten breit, so dass die isochrone Einstellung des ESR fürpräzise Massenmessungen erforderlich ist. Dieser spezielle Modus des ESRs ermöglicht es, dass Ionen mit identischen Masse-zu-Ladungsverhältnisses aber verschiedenen Geschwindigkeiten mit derselben Umlauffrequenz im ESR zirkulieren. Um nun die Masse der Kerne zu bestimmen, wird die Umlauffrequenzder gespeicherten Ionen gemessen, die ein direktes Maß für dasMasse-zu-Ladungsverhältnis ist. Die Bestimmung der Umlauffrequenzerfolgt mit einem Flugzeitdetektor, der auf einer der langengeraden Strecken des ESRs eingebaut ist. Im Detektor durchquerendie zu messenden Teilchen eine dünne Folie und setzen dabeiSekundärelektronen durch atomare Wechselwirkungen frei. Bei jedemDurchgang der Ionen durch die Folie, werden Sekundärelektronenerzeugt, die über eine Kombination von elektrischen undmagnetischen Feldern auf einen Mikrokanalplatten-Detektor(MCP-Detektor) isochron transportiert werden. In dieser Arbeit wurde dieser Flugzeitdetektor mittels komplexenSimulationen, Offline-Messungen mit alpha-Teilchen und Elektronenund Online-Messungen mit einem stabilen Nickel-Strahl charakterisiert und optimiert. Alle Phasen von der Bewegung der Ionen im Ring, der Erzeugung von Sekundärelektronen, deren Transport zu dem MCP, sowie die Detektion werden untersucht und mit theoretischen Vorhersagen und Simulationen verglichen. Diese Arbeit dient dem Erlangen eines detaillierten Verständnisses aller physikalischen und technischen Prozesse, die für dieWeiterentwicklung eines Flugzeit-Detektorsystems für die isochrone Massenmessung am Collector Ring, bei der neuen "Facility for Antiproton and Ion Reseach (FAIR)", wichtig sind.