A superfluid liquid helium target for electron scattering experiments at the S-DALINAC

The aim of this work was to develop a superfluid helium target for electron scattering experiments at the S-DALINAC. The target consists of a multistage helium cryostat including target cell and corresponding scattering chamber. It is initially filled with liquid helium at boiling temperature and then cooled down to 1.8 K via vapor pressure reduction. The infrastructure of the QCLAM spectrometer provides a set of basic conditions for the design. Difficulties in handling liquid helium provide further challenges. After the delivery of the required components, the cryostat had to be assembled and tested. The development of a suitable cooling procedure was a particularly critical point. The functionality of the cryostat was demonstrated in a following experiment. The assumed advantages of superfluid helium instead of liquid helium at boiling temperature as target material were confirmed. A commissioning experiment at the QCLAM spectrometer was performed. By evaluating the spectrum of elastically scattered electrons, the target thickness could be measured experimentally. It agrees with the geometric manufacturer's specifications. During the experiment, the focusing of the electron beam on the target was difficult. Therefore, simulations on a modified target cell geometry with an increased target area were performed.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines suprafluiden Heliumtargets für Elektronenstreuexperimente am S-DALINAC. Das Target besteht aus einem Heliumkryostat mit Targetkapsel und passender Streukammer. Es wird mit flüssigem Helium bei Siedetemperatur gefüllt und anschließend durch Dampfdruckreduzierung auf 1.8 K heruntergekühlt. Die Infrastruktur des verwendeten QCLAM Spektrometers liefert Rahmenbedingungen für das Design. Schwierigkeiten im Umgang mit flüssigem Helium bilden eine weitere Herausforderung. Nach der Lieferung der Bauteile musste der Kryostat zusammengebaut und getestet werden. Die Entwicklung einer geeigneten Abkühlprozedur hat sich dabei als besonders kritischer Punkt herausgestellt. In einem anschließenden Experiment konnte die Funktionalität des Kryostaten gezeigt werden. Außerdem wurden vermutete Vorteile von suprafluidem Helium anstelle von flüssigem Helium bei Siedetemperatur als Targetmaterial bestätigt. Dazu wurde ein Kommissionierungsexperiment am QCLAM Spektrometer durchgeführt. Aus der Auswertung des Spektrums der elastisch am Helium gestreuten Elektronen konnte die Targetdicke experimentell gemessen werden. Sie stimmt mit den geometrischen Herstellerangaben überein. Während des Experiments erwies sich die Fokussierung des Elektronenstrahls auf dem Target als problematisch. Daher wurden Simulationen zu einer veränderten Targetzellengeometrie mit vergrößerter Trefferfläche durchgeführt.