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Der Schwerionen-Speicherring ESR

Speicherringe dienen im Allgemeinen dazu, Ionen, die über Ionenbeschleuniger eingespeist werden, zu speichern und zu akkulumieren, bis sehr hohe Ströme vorliegen. Die Strahlqualität wird durch spezielle Elektronenkühler sichergestellt, so dass gleichmäßige Ionenpakete im Speicherring gespeichert sind.

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Fig. 1: Vergleich verschiedener Speicherringe hinsichtlich Geschwindigkeit und Protonenzahl Z. Der ESR deckt einen sehr weiten Bereich ab.
Fig. 2: Ein Teil des ESR (orange Dipolmagnete, rot Quadrupolmagnete).

Der ESR ist der erste Speicherring, der einen weiten Arbeitsbereich von Helium (Z=1) bis Uran (Z=92) mit einer Ionengeschwindigkeit β von 10% bis zu fast 90% der Lichtgeschwindigkeit abdeckt und somit als erster für Experimente an schweren Ionen geeignet ist. Somit stellt der ESR einzigartige Möglichkeiten speziell für Experimente mit den schwersten verfügbaren Ionen zu verfügung.

Der ESR hat einen Umfang von 108,36 m und eine magnetische Steifigkeit von 10 Tm, dadurch wird es möglich Uranionen (U92+) bei einer Energie von 560MeV/u zu speichern. Die Experimente erfolgen jedoch üblicherweise bei Energien von etwa 300MeV/u. Dies entspricht etwa 65% der Lichtgeschwindigkeit. Die Umlauffrequenz liegt dann bei 2∗106 s-1. Der Druck im Inneren des Systems liegt bei 10-11 mbar, damit möglichst wenig Kollisionen zwischen Ionen und Restgasmolekülen auftreten.

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Fig. 3: Schematische Zeichnung des ESR mit allen wichtigen Komponenten.

Um den Strahl auf der Umlaufbahn zu halten, besitzt der ESR sechs Dipolmagnete und sechs Quadrupol-Triplets oder -Dublets, die dafür sorgen, dass der Strahl nahe der Ideallinie bleibt.

Elektronenkühlung

Durch die Kühlung der Ionen im Elektronenkühler wird verhindert, dass der Strahl zu breit wird und dadurch an Qualität verliert. Außerdem kompensiert die Kühlung das Aufheizen des Strahls das durch Stöße der Ionen untereinander oder an Restgasmolekülen hervorgerufen werden kann. Das Bild zeigt einen am ESR eingebauten Elektronenkühler.

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Fig. 4: Der Elektronenkühler (gelb) mit strahlformenden Elementen (rot, violett).

Massenspektrometrie

Hier ist das Prinzip der Massenmessung im Experimentierspeicherring an der GSI dargestellt. Die Bewegung von bis zu vier verschiedenen Sorten, die durch ihr Masse-Ladungs-Verhältnis (m/q)1...4 charakterisiert sind, ist zu erkennen. Bei der Schottky- Massenspektrometrie (links) werden Ionen durch Elektronenkühlen gekühlt und besitzen die gleiche mittlere Geschwindigkeit v während die Ionen bei der isochronen Massenspektrometrie (rechts) "heiß" sind und unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.

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Fig. 5: Prinzip der Massenmessung durch Elektronenkühlung (links) oder Geschwindigkeitsmessung (rechts).