Pilot experiments with relativistic uranium projectile and fission fragments thermalized in a cryogenic gas-filled stopping cell

Abstract

High precision experiments and decay spectroscopy of exotic nuclei are of great interest for nuclear structure and nuclear astro-physics. They allow for studies of the nuclear structure far from stability, test of fundamental interactions and symmetries and give important input for the understanding of the nuclear synthesis in the universe. In the context of this work a second generation stopping cell for the low energy branch of the Super-FRS was commissioned at the FRS at GSI and significant improvements were made to the device. The prototype stopping cell is designed as a cryogenic stopping cell (CSC), featuring enhanced cleanliness and high area density. The CSC was brought into full operation and its performance characteristics were investigated including the maximal area density, extraction times, cleanliness and extraction efficiencies. In three commissioning experiments at the current GSI FRS facility in 2011, 2012 and 2014 up to 22 isotopes from 14 elements produced by in-flight projectile fragmentation and fission of 238-U could be thermalized and extracted with high efficiency. For the first time projectile and fission fragmentation produced at 1000 MeV/u could be thermalized in a stopping cell and provided as a low-energy beam of high brilliance for high precision experiments. The technical improvements of the CSC, such as an improved RF carpet, new cryocooler-based cooling system, a monitoring system of the cleanliness and the high density operation, made it possible to thermalize heavy 238-U projectile fragments with total efficiencies of about 20% in the 2014 experiment. In addition the improvements lead to an increase in the stability and reliability of the CSC and the performance of the CSC during online experiments at the FRS Ion Catcher showed that the utilized techniques are ready for the final CSC for the low-energy branch of the Super-FRS at FAIR.The CSC was operated with an area density of up to 6.3 mg/cm^2 helium during online experiments, which is about three times larger than any stopping cell, using RF structures for the extraction of ions, has demonstrated. The area density and therefore the stopping power of the CSC is limited by the differential pumping. To overcome this limitation the CSC was tested with neon as a stopping gas with area densities of up to 11.3 mg/cm^2 helium equivalent, demonstrating a unprecedented area density for stopping cells based on RF structures. The RF carpet performed reliably and its potential for the future FAIR stopping cell was shown. During the experiments at GSI the mean extraction time of 221-Ac ions from the CSC to a silicon surface detector was measured, it amounts to 24 ms. This value is well in agreement with offline measurements using a pulsed 223-Ra recoil ion source. The combination of a high density stopping cell with high total efficiencies and a non-scanning high-resolution mass spectrometer can be used as an independent identification detector for exotic nuclei by their mass, allowing a recalibration of the in-flight detectors of any fragment separator. As a proof-of-principal experiment the CSC and a MR-TOF-MS have been used as a mass tagger for the FRS at GSI. 134-I ions were produced by in-flight fission from an 238-U primary beam at 1000 MeV/u and identified by the mass tagger. The new method does not rely on specific decay properties and therefore allows a recalibration of the fragment separator independent of the fragment and can also be used with stable nuclides. The usage of the CSC and a MR-TOF-MS will allow fast recalibration and a more effective usage of the limited amount of beam time for all experiments with exotic nuclei even in the case the nuclide of interest is not clearly identified by the in-flight detection scheme.With the CSC low energy experiments such as high-precision mass measurements and decay spectroscopy were made possible, the half lifes of 221-Ac and 223-Th have been measured, alpha spectroscopy of short lived nuclides (220-Ra, 17.9 ms) were performer. Due to the selective stopping of only one nuclide in the stopping cell the characteristic alphas of 24 nuclides were measured with almost zero background and their Q-alpha-values could be confirmed.Following a new approach, data from gamma spectroscopy, alpha spectroscopy and high resolution mass spectrometry of 211-Po were combined to study the angular momentum distribution arising from in-flight projectile fragmentation. This was possible by measuring the isomer ratio of 211-Po and comparing it to current predictions from the two-step abrasion-ablation model. It was shown that current models can not describe the angular momentum distribution of in-flight projectile fragmentation and that new measurements of isomer ratios are required in order to understand the angular momentum distribution. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine kryogene Stoppzelle (CSC) vollständig in Betrieb genommen, weiterentwickelt und ihrer Leistungsfähigkeit untersucht, welche die Vorteile der ISOL Methode an der in-flight Beschleunigeranlage GSI zur Verfügung stellt. Die kryogene Stoppzelle wurde während drei Teststrahlzeiten in 2011, 2012 und 2014 an der GSI Beschleunigeranlage als Teil des FRS Ion Catcher Experiments erprobt. Erstmals konnten relativistisch produzierter 238-U Projektil- und Spaltfragmente mit hoher Gesamteffizienz abgestoppt, thermalisiert und zu einem niederenergetischen Ionenstrahl geformt werden. Es wurden vielfältige Verbesserungen an dem System durchgeführt, z.B. die Überarbeitung der RF-Carpet Elektronik sowie die Umstellung der Kühlung des Systems von flüssigem Stickstoff auf einen externen Kryostaten. Alle diese Maßnahmen haben zu einer Steigerung des Leistungsvermögens (Stopp- und Extraktionseffizienz) und der Zuverlässigkeit der CSC geführt. Eine verbesserte Stabilität des Betriebs der Stoppzelle erlaubten erfolgreiche Experimente am FRS Ion Catcher.Die Stoppzelle wurde dabei mit einer Flächendichte von bis zu 6.3 mg/cm^2 Helium betrieben. Das ist mehr als das Dreifache, was bisher mit einer RF-basierenden Stoppzelle erreicht werden konnte. Durch die hohe Flächendichte ließen sich Stoppeffizienzen von bis zu 27% für 223-Th Projektilfragmente erzielen. Durch die Verbesserungen der Sauberkeit der kryogenen Stoppzelle ergaben sich sehr hohe Extraktionseffizienzen von ungef"ahr 80%. Weiterhin konnten die exotischen Kerne als reine Strahlen, teilweise auch als doppelt geladene Ionen und ohne Addukte extrahiert werden. Dadurch konnten sie erfolgreich für hochauflösende Massenspektroskopie und Zerfallsspektroskopie bereit gestellt werden. Aus der Kombination von hoher Stopp- und Extraktionseffizienz ergaben sich Gesamteffizienzen von bis zu 20%.Die Flächendichte und somit das Stoppvermögen der CSC war durch das differentielle Pumpen limitiert. Um das Verhalten des RF-Carpets bei höheren Dichten zu testen, wurde Neon als Stoppgas eingesetzt. Der Einsatz von Neon erlaubte den erfolgreichen Betrieb bei Flächendichten, die für Helium dem von 11.3 mg/cm^2 entsprechen. Dies entspricht fast dem Sechsfachen, was mit RF-basierten Stoppzellen bisher erreicht werden konnte. Der Betrieb des RF-Carpets bei diesen hohen Dichten zeigt das Potential der Technik für den Einsatz am zukünftigen LEB des S-FRS. Weiterhin ermöglicht ein Betrieb der kryogenen Stoppzelle mit Neon eine Steigerung des Stoppvermögens, was in der Zukunft bei Experimenten zur Isotop- oder Isomersuche eine Effizienzsteigerung bewirken kann.Die Kombination aus einer Stoppzelle mit einer hohen Flächendichte und einem sensitiven, nicht scannenden, hochauflösenden Multireflektions Flugzeitmassenspektrometer (MR-TOF-MS) erlaubt eine direkte Identifikation von exotischen Kernen anhand ihrer Masse. Der Einsatz der CSC und eines MR-TOF-MS als sogenannter Mass-Tagger, ermöglicht eine Identifikation der Ionen und somit eine Kalibration der Detektoren zur Teilchenidentifikation Im-Fluge am FRS. Diese Methode ist deutlich flexiebler als die bisherigen Verfahren und erlaubt eine viel effizientere Nutzung von Strahlzeiten für fast alle Experimente am FRS und zukünftigem Super-FRS, da sie nicht auf Zerfällen basiert und somit für alle Nuklide verwendet werden kann. Weiterhin können dadurch auch Nuklide identifiziert werden, die in der Identifikation Im-Fluge nicht aufgelöst werden können. Das Konzept wurde erfolgreich mit der Identifikation von 134-I am FRS Ion Catcher gezeigt.Das hohe Leistungsvermögen erlaubte eine Vielzahl an Messungen an über 22 Isotopen von 14 Elementen. Unter anderem wurde die Lebensdauer von 221-Ac und 223-Th gemessen sowie Experimente mit extrem kurzlebigen Nukliden durchgeführt (220-Ra, 17.9 ms Halbwertszeit). Hierbei wurde selektives Abstoppen von Nukliden in der Stoppzelle als zusätzliche Separation nach der Separation Im-Fluge eingesetzt. Dies erlaubte Alpha Zerfallsspktroskopie mit fast isotopenreinen niederenergetischen Ionen und somit die Bestimmung der Q-alpha Energien von 19 Nukliden. Die Alpha Energien von 24 Zerf"allen konnten best"atigt und der Fehler des Q-alpha Wert von 221-Ac verbessert werden.Weiterhin erlaubte die kryogene Stoppzelle Experimente zum Isomer zu Grundzustandsverhältnis von 211-Po und somit eine ÜberprÜfung der Drehmomentverteilung bei der Fragmentation von 238-U bei relativistischen Energien. Das Isomerenverhältniss wurde mit Vorhersagen verglichen. Dies zeigte, dass aktuelle Modelle zur Bevölkerung von angeregten Kernzuständen dieses nicht ausreichend beschreiben und Abweichungen bis zu einem Faktor 4 bis 10 vorliegen können. Modelle, die eine empirische Verbreiterung der Drehmomentverteilung während der Kernabregungsphase des Fragmentationsporzesses annehmen, beschreiben die gemessenen Isomer zu Grundzustandsverhältnis deutlich besser.