Control System for the Next Generation In-flight Separator Super-FRS applied to New Isotope Search with the FRS

The construction of the upcoming FAIR facility entails an upgrade of the existing GSI accelerator facility. One of the upgrades is the integration of the new LSA control system framework, which is licensed and adapted from CERN, in order to provide a unified control environment for all accelerators, rings and transfer lines at both the GSI and FAIR facility. As part of this work, it was possible to incorporate the FRS as a machine-model within LSA by developing and implementing Parameter hierarchies and Makerules to enable streamlined and maximum parallel operations. For this purpose a FRS General Target Hierarchy was implemented to virtually map targets, target ladders, degraders, degrader disks, degrader ladders, detectors and detector ladders as realistically as possible with additional Makerules to facilitate automated online energy-loss calculations, secondary beam production within targets, operator driven magnetic rigidity overwriting and ion-optical target alignment calculations. Additionally slits, pneumatic drives and stepper motors were introduced into the machine-model, as well. Benchmarking proved for the machine-model and LSA to be equivalent to previous control systems by reproducing old experimental settings within an accuracy of 10^-4 and 10^-3 for the magnetic rigidity and current, respectively. Contemporary experiments can be even identically reproduced within the measurement and setting precision. Additional testing with a Ar-40 and U-238 primary beam showed the machine-model's capabilities in correctly transporting primary and secondary beam fragments to the destined experimental station without previous setting calculation via LISE++, proving all functionalities operative. This foundation was used during FAIR Phase-0 experiments at the GSI to produce and using the methods described here it was possible to preliminarily identify up to 21 new isotopes with a relativistic Pb-208 primary beam at 1050 AMeV impinging on a beryllium target of 4 g/cm^2 thickness with a niobium stripper backing of 225 mg/cm^2 thickness to first produce Re-200, -201, -202, W-198, -199, Ta-195, -196, -197, Hf-191, -192, -193, Lu-189, -190, -191, Yb-186, -187, Tm-182, -183, -184, -185 and Er-181.

Der Bau der neuen FAIR-Anlage bringt eine Aufrüstung der bestehenden GSI-Beschleunigeranlage mit sich. Eine der Aufrüstungen ist die Integration des neuen LSA-Kontrollsystems, das vom CERN lizenziert und angepasst wurde, um eine einheitliche Kontrollumgebung für alle Beschleuniger, Ringe und Transferlinien sowohl an der GSI- als auch an der FAIR-Anlage zu schaffen. Im Rahmen dieser Arbeit war es möglich, den FRS als Maschinenmodell in LSA einzubinden, indem Parameterhierarchien und Makerules entwickelt und implementiert wurden, um einen organisierten und maximal parallelen Betrieb zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde eine allgemeine FRS Target Hierarchie implementiert, um Targets, Targetleitern, Degrader, Degraderdisks, Degraderleitern, Detektoren und Detektorleitern so realistisch wie möglich abzubilden, mit zusätzlichen Makerules, um automatisierte Online-Energieverlustberechnungen, Sekundärstrahlerzeugung innerhalb von Targets, bedienergesteuertes Überschreiben der magnetischen Steifigkeit und Berechnungen zur ionenoptischen Targetausrichtung zu ermöglichen. Zusätzlich wurden auch Schlitze, pneumatische Antriebe und Schrittmotoren in das Maschinenmodell integriert. Beim Benchmarking erwiesen sich das Maschinenmodell und LSA als äquivalent zu früheren Kontrollsystemen, indem sie alte experimentelle Einstellungen mit einer Genauigkeit von 10^-4 bzw. 10^-3 für die magnetische Steifigkeit und den Strom reproduzierten. Zeitgenössische Experimente können sogar im Rahmen der Mess- und Einstellgenauigkeit identisch reproduziert werden. Zusätzliche Tests mit einem Ar-40 und U-238 Primärstrahl zeigten, dass das Maschinenmodell in der Lage ist, Primär- und Sekundärstrahlfragmente ohne vorherige Einstellungsberechnung über LISE++ korrekt an die vorgesehene Experimentierstation zu transportieren, und bewiesen, dass alle Funktionen funktionsfähig sind. Diese Grundlage wurde während der FAIR Phase-0 Experimente an der GSI genutzt, um mit einem relativistischen Pb-208 Primärstrahl bei 1050 AMeV auftreffend auf ein Beryllium-Target von 4 g/cm^2 Dicke mit einem Niob-Stripper von 225 mg/cm^2 Dicke potentiell bis zu 21 neue Isotope zu erzeugen und mit den hier beschriebenen Methoden vorläufig zu identifizieren. Hinweise auf die erstmalige Identifizierung der Nuklide Re-200, -201, -202, W-198, -199, Ta-195, -196, -197, Hf-191, -192, -193, Lu-189, -190, -191, Yb-186, -187, Tm-182, -183, -184, -185 und Er-181 werden vorgestellt.