GLAD und COCOTIER: Zwei französische FAIR-Beiträge zum R3B-Experiment in Betrieb

09.09.2021

Dieser Text basiert auf einer Pressemitteilung des Instituts für die Erforschung der Naturgesetze des Universums (IRFU).

Zwei hochmoderne Instrumente, GLAD und COCOTIER, wurden kürzlich am Institut für die Erforschung der Grundgesetze des Universums (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers, IRFU) in Saclay, Frankreich, entwickelt und gebaut und sind nun im R3B-Experiment von GSI in Betrieb. Beide werden in Zukunft an FAIR, der internationalen Beschleunigeranlage, die derzeit bei GSI gebaut wird, zum Einsatz kommen.

GLAD ist ein Spektrometer mit großer Akzeptanz für die Analyse von relativistischen radioaktiven Schwerionenstrahlreaktionen. Es wurde 2015 vor Ort installiert und ging im Herbst 2018 zum ersten Mal mit Strahl aus den GSI-Beschleunigern in Betrieb. In einigen Experimenten sollen diese Strahlen im weiteren Verlauf mit dem Flüssigwasserstoff-Target COCOTIER wechselwirken. Dieses wurde nun erstmals in den FAIR-Phase-0-Experimenten im März 2021 verwendet. Diese beiden Geräte sind Schlüsselkomponenten für die Messung der Eigenschaften von Kernen an der Grenze der nuklearen Stabilität und ermöglichen die Weiterentwicklung aktueller Kernmodelle hin zu mehr Vorhersagekraft.

GLAD: Dipol mit großer Akzeptanz für GSI/FAIR

Nachdem die kalte Masse (Schirm, Vakuumkammer) des GLAD-Magneten (22 Tonnen bei 4,5 Kelvin) in Saclay in einer kryogenen Teststation von IRFU erfolgreich getestet worden war, wurde GLAD in seinem Kryostaten installiert und zu GSI transportiert, wo er in den Experimentierhallen aufgestellt wurde. Er wurde von GSI-Teams positioniert sowie an seine Stromversorgung und an sein Kühlsystem angeschlossen. Nach einem Strahltest im Herbst 2018 wurde GLAD erfolgreich in den R3B-Experimentierzeiten der FAIR-Phase 0 in 2019, 2020 und auch in 2021 eingesetzt, wobei zum ersten Mal das COCOTIER-Target verwendet wurde.

COCOTIER: Flüssigwasserstoff-Target

Das Flüssigwasserstoff-Target COCOTIER (COrrélations à COurte porTée et spin IsotopiquE à R3B – für kurzreichweitige Korrelationen und Isotopenspin bei R3B) ist für die Durchführung von quasifreien Streuexperimenten konzipiert, bei denen der zu untersuchende Kern in Form eines Strahls auf ein Protonentarget trifft, das selektiv ein Proton oder ein Neutron aus dem betreffenden Kern ausstößt. Um die geringe Intensität der exotischen Strahlen zu kompensieren, werden dichte (daher die Notwendigkeit, Wasserstoff zu verflüssigen) und sehr dicke (bis zu 15 Zentimeter) Protonen-Targets verwendet. Daher ist es nötig, die Position des Reaktionspunkts innerhalb des Targets mit Hilfe eines Tracking-Detektors zu rekonstruieren. Diese Information ist notwendig, um die Spektroskopie der untersuchten Kerne durchzuführen, um die Trajektorien und den Energieverlust der gemessenen Teilchen zu korrigieren.

Um Wasserstoff bei Drücken nahe dem Atmosphärendruck zu verflüssigen, muss er auf kryogene Temperaturen (21 Kelvin) abgekühlt werden. Der Wasserstoff wird in einem durch einen Kryokühler gekühlten Kondensator verflüssigt und fließt aufgrund der Schwerkraft in die Zielzelle. Durch Turbomolekularpumpen wird ein hohes Vakuum (10-6 Millibar im Kryostaten und in der Targetkammer) erreicht, um die konvektiven Strömungen zu begrenzen. Die Integration in den eingeschränkten R3B-Aufbau brachte viele Herausforderungen mit sich. Das Target befindet sich in der Mitte des CALIFA-Kalorimeters, weit entfernt von der Vertikalen des Kryostaten.

Die Target-Zelle ist in mehrere fünf Mikrometer dicke, mehrlagige Isolierfolien eingewickelt, um den Strahlungswärmefluss zu reduzieren, insbesondere von den Tracking-Detektoren, die in 25 Millimetern Entfernung in derselben Reaktionskammer platziert sind und die es ermöglichen, die Position des Reaktionspunkts im Target zu rekonstruieren. Drei Targetlängen von 15 Millimetern, 50 Millimetern und 150 Millimetern wurden hergestellt, um die Anforderungen der vom GSI-Experimentkomitee genehmigten Experimente zu erfüllen.

Das Targetsystem wurde durch die französische Forschungsagentur als sogenannter In-Kind-Beitrag gefördert , mit dem Ziel, die Untersuchung von Kurzstreckenkorrelationen in exotischen Kernen zu verfolgen. Es wurde von IRFU entworfen und gebaut und Ende 2019 von IRFU-Teams bei GSI installiert.

Fernbetrieb während der Pandemie

Gesteuert wird die Anlage durch ein am IRFU entwickeltes Überwachungssystem, das die von der speicherprogrammierbaren Steuerung und den verschiedenen Controllern kommenden Informationen zentralisiert. Das System ermöglicht die Verbindung und Fernsteuerung über einen gesicherten Internet-Client. Während der jüngsten wissenschaftlichen FAIR-Phase-0-Experimente erlaubte dies insbesondere die Durchführung aller Befüllungs- und Überwachungsvorgänge des Targets aus der Ferne, was aufgrund der pandemiebedingten Abwesenheit des IRFU-Teams vor Ort notwendig war. (CP)

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