Zerstörungsfreie Profilmessung intensiver Schwerionenstrahlen

Im Rahmen des FAIR-Projektes (Facility for Antiproton and Ion Research) an der GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH) werden intensive Strahlen von Protonen bis hin zu Uranionen mit kinetischen Energien von wenigen AMeV bis zu 30 AGeV erzeugt. Der bestehende Universal Linear Accelerator (UNILAC) und das Schwerionen Synchrotron mit Bρ = 18 Tm (SIS-18) dienen als Injektoren für das geplante Synchrotron (SIS-100) und sollen nach Abschluss des Upgrade-Programms um bis zu zwei Größenordnungen gesteigerte Strahlströme liefern. Auf allen Strahltransportstrecken, insbesondere jedoch vor Targets zur Teilchenproduktion oder Plasmaphysik-Targets, ist eine präzise Information über das Strahlprofil sowie die Strahllage von zentraler Bedeutung. Herkömmliche strahlzerstörende Profilmonitore wie Leuchtschirme oder invasive Systeme wie Drahtgitter (SEM-Grid), halten den thermischen Belastungen niederenergetischer oder stark fokussierter Schwerionenstrahlen nicht stand. Zur Bestimmung transversaler Strahlprofile wurde ein strahlinduzierter Fluoreszenzmonitor entwickelt. Der Beam Induced Fluorescence (BIF)-Monitor nutzt das Fluoreszenzlicht der durch atomare Stöße angeregten Restgasmoleküle. Dabei werden mit einer bildverstärkten Kamera Fluoreszenzbilder aufgenommen, deren Projektionen die Strahlprofile darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden systematische Untersuchungen zu Lichtausbeute, Profilform und Untergrund durchgeführt, und zwar für unterschiedliche Ionenspezies (H+, S6+, Ar18+, K+, Ni9+, Xe48+, Ta24+, Au65+, U73+) mit Projektilenergien von 7,7 AkeV bis 750 AMeV, bei Gasdrücken von 10−6 bis 3 mbar, in verschiedenen Restgasspezies (N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe). Mit Hilfe eines abbildenden Spektrometers konnten Fluoreszenzspektren sowie wellenlängenselektive Strahlprofile im Spektralbereich von 300 bis 800 nm gemessen und den entsprechenden Fluoreszenzübergängen zugeordnet werden. Wichtigste Ergebnisse dieser Untersuchung sind zum einen die lineare Abhängigkeit der Lichtausbeute vom Restgasdruck bei gleichbleibender Profilbreite und zum anderen die Proportionalität der Lichtausbeute zum differenziellen Energieverlust. Weiterhin weisen Edelgase im Vergleich zu Stickstoff nur 25 % der auf den Energieverlust normierten Lichtausbeute auf. Mit Helium wurden stark verbreiterte Strahlprofile gemessen, alle anderen Edelgase und Stickstoff zeigen übereinstimmende Strahlprofile. Nach umfangreicher Messung und Simulation des Strahlungsfeldes an einem Hochenergiemessplatz wurde ein geeignetes Schirmungskonzept für den Einsatz des BIF-Monitors in strahlender Umgebung entwickelt. Bereits ein 1 m3 großer Betonwürfel vermindert im Zentrum die errechnete Neutronendosis um 94 %. Systematische Fehler des Verfahrens aufgrund des indirekten Nachweises werden ebenso diskutiert wie technische Verbesserungsvorschläge.

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzetrum für Schwerionenforschung GmbH Darmstadt in der Abteilung Strahldiagnose durchgeführt und wurde betreut von Herrn Dr. Peter Forck

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzetrum für Schwerionenforschung GmbH Darmstadt in der Abteilung Strahldiagnose durchgeführt und wurde betreut von Herrn Dr. Peter Forck