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1 Messungdesdierentiellen derreaktionpp!pp Wirkungsquerschnitts mitdemcosy-tof-spektrometer DoktorsderNaturwissenschaften zurerlangungdesgradeseines Dissertation FakultatfurPhysik undastronomie derruhr-universitatbochum PeterHerrmann von Allenstein aus Bochum1997

2 TagderDisputation: Dissertationeingereichtam:20.Oktober1997 Referent: Korreferent: 23.Januar1998 Prof.Dr.H.Koch Prof.Dr.M.F.Gari

3 Inhaltsverzeichnis 1Einleitung 1.1HistorischerUberblick MotivationausderTheorie ExperimentelleGesichtspunkte Ubersicht Experimentaufbau 2.2COSY-TOF COSY-Beschleuniger,Protonenstrahl Target Bleitarget Datenaufnahme Stoppdetektor Zusatzdetektoren Startdetektor KalibrationdesDetektors 2.4Laserkalibrierungssystem TDC-Kanalbreiten Walkkorrektur Pedestalkorrektur ZeitlicherAbgleichderDetektorkomponenten Lichtlaufzeit Zweispurereignisse Startdetektor Quirl BestimmungderFlugzeit Zeitabgleich Testreaktionen Einspurereignisse Energieverlustbetrachtung LasVegas,KorrekturzurDetektorakzeptanz MissingMass

4 24Reaktionserkennung INHALTSVERZEICHNIS 4.1Ereignisklassikation Energieverlust Reaktionskinematik Konsequenz Untergrundsubtraktion NeuronalesNetz Ergebnisse 5.1AbsoluteNormierung Strahlzeit Strahlzeit TotalerWirkungsquerschnittderpp-Reaktion Winkelverteilungen Diskussion Strahlzeit Strahlzeit KonklusionundAusblick TheoretischeBeschreibungderMedaten Dierentiellepp-Wirkungsquerschnitte...91 Zusammenfassung 5.6.1OptimierungderMebedingungen...96 AFeldtheoretischerAnsatz 101 A.3Quantenfeldtheorie A.2FeldquantisierungdesharmonischenOszillators A.1NomenklaturundErhaltungssatze A.5UbergangsmatrixelementeSfi,fiundMfi A.4DasPhotonenfeld A.6Okubo-Formalismus A.6.1DenitiondesWirkungsquerschnitts A.5.2Translationsinvarianz A.5.1Wechselwirkungsbild BAuistungderMewerte A.8Soft-PhotonApproximation A.7Phasenraum Lebenslauf 128 Danksagung

5 Kapitel1 Einleitung BiszumJahre1911,alsRutherforddieerstenHinweiseaufdieAtomstrukturerhielt 1.1 [RUT11],galtdasAtomalshomogenmitMateriebelegt.TrotzderTatsache,da HistorischerUberblick dierutherfordschenergebnissemitelektromagnetischerwechselwirkungerklartwerden konnten,stelltesichdiefrage,welchekraftdiedamalsbekanntenprotonenimatomkernzusammenzuhaltenvermag.letzteremutevielstarkeralsdiebisdahinbekannte aus,womitsichdiemassenzahlaunddieladungszahlzerklarenlieen.imjahre1929 Coulombkraftsein. DieerstenKernmodellegingenvoneinerVerbindungderProtonenmitdenElektronen KernundderK-Schaleaufhalten[CHA20]. hendestickstokernfolgtederbose-statistik[hei29,ehr32].davorkonntechadwick 1920amBeispieldesPlatinszeigen,dasichpraktischkeineElektronenzwischendem tratabereinwiderspruchauf:derdannaussiebenelektronenund14protonenbeste- InfolgederUntersuchungenvonBotheundBecker1930[BOT30],Curie-JoliotundJoliot [CUR31,JOL31]undWebster1932[WEB32],dieeineungewohnlichhochenergetische(7-10MeV)unddurchdringendeStrahlungbeimBeschudesBerylliums,Bors undpoloniumsmit-teilchenentdeckthatten,hattechadwickdieexistenzneutraler dahin,eineneuewechselwirkungsartzwischendenprotonenunddenneutronengefundenzuhaben[maj33].diesfuhrteschlielichzudererkenntnis,dieneuentdecktestarke Teilchen,denNeutronen,gefolgert[CHA32].FolgerichtiggingendieerstenMeinungen einunddasselbeteilchenbeschreibenlassen[hei32]. KraftwirkeauchzwischendenProtonenbzw.denNeutronenselbst.Daraufhinerkannte AnalogzurelektromagnetischenWechselwirkung,dereinortsabhangigesPhotonenfeld Heisenberg,dasichdasProtonunddasNeutronunterderstarkenWechselwirkungals U(r)ge mcr=h=rhat.dieanschlieendeanpassungderkopplungskonstantengsowie U(r),dasderGleichung( +m)u(r)=ggehorchtundimortsraumdieform Yukawa1935[YUK35]einfurdiestarkeWechselwirkungverantwortlichesTeilchenfeld Velm(r)zugrundeliegtunddiederPoisson-Gleichung Velm(r)=egehorcht,postulierte dermassemandieexperimentellenergebnissedermessungendeswasserstomassendefektsundderstreuwahrscheinlichkeitvonneutronenanprotonenergabdievorhersage: 3

6 4DasTragerteilchenmussedieca.200-facheMassedesElektrons(me=0;511MeV=c2) KAPITEL1.EINLEITUNG besitzen. NachanfanglichdurchdieEntdeckungdesMyons(m=106MeV=c2[NED37])im ZentralpotentialverantwortlichenAustauschteilchensbewahrheitet.ImJahr1939wies Jahr1937irregefuhrterSuchewurdevonOcchialini,Powell,GardnerundLattes dieentdeckungdesmagnetischendipol-unddeselektrischenquadrupolmomentsdes deckt[occ47,gar48].damithattesichyukawasvorhersagederexistenzeinesfurdas daserstemeson(griech:!,mittler[bha39]),daspion(m138mev=c2),ent- drehimpuls-undspinabhangigenpotentials. DeuteronsdurchRabi,KelloggundRamsey[KEL39]denWegfurdieEntwicklungeines DasPotentialhatteTranslations-,Galilei-undRotationsinvarianz,TeilchenaustauschundLadungssymmetrie[EIS41],Paritatserhaltung,ZeitumkehrinvarianzundHermitizitat [OKU58]aufzuweisen.DieneuestenModellefordernfernerdieLorentzinvarianz. Dieheutebekannten"phanomenologischenPotentiale\setzensichaus -einemspinabhangigenzentralanteilvs(1+~1~2), -einemzentralanteil(z.b.deryukawa-form)vc, -einemspin-bahn-abhangigenzentralanteilvls~l~sund -einemisospinabhangigenzentralanteilv=v0 (1+~1~2), zusammen[may84]: -einerzentralentensorkraft(ahnlichderwechselwirkungzweierdipole) VTS12=VT(3(~1~r)(~2~r) ~1~2) werden.hinzukommencoulombkorrekturen,korrekturenrelativistischerartundsolche EsmussendahermindestensachtParameterVandieexperimentellenDatenangepat V=Vc+Vs(1+~1~2)+VTS12+V(V0 c+v0 s(1+~1~2)+v0 TS12)+VLS~L~S: (1.1) wegenderbedingtenberucksichtigungsmoglichkeitenhoherdrehimpulse. Hamada-Johnston-Potential NachfolgendwerdeneinigePotentialeundihrewichtigstenEigenschaftenaufgefuhrt. tionsschwellegultigepotentialzeichnetsichinsbesonderedurchseinen"hartenkern\aus Diesesfurunter315MeVEinschuenergieundsomitknappoberhalbderPionenproduk- (Vc(r)=1furr<0;485fm),derderForderungnachderUndurchdringbarkeitvon stischeausdrucke,dieanexperimentelledatenangepatwerden,zubeschreibensuchen Nukleonenentsprang[HAM62].Biszu32Parameter[MAY84]mussenangepatwerden. Potentialansatze,diedieErscheinungnichtauseinemubergeordnetenPrinzip,sonderndurchheuri-

7 ReidPotential 1.1.HISTORISCHERUBERBLICK 5 ForderungdeshartenKernszugunsteneinesrepulsivenYukawa-Termsfurkleinerunter DerzubeschreibendeEnergiebereichistbis350MeVausgedehntworden,indemdie NijmegenPotential HinzunahmeweitereranzupassenderFaktorenfallengelassenwurde[REI68]. imfalledespionszuvor(obepy),mitunterschiedlichen,ortsabhangigenbeitragenzum Potentialidentiziert.DamitwurdediekurzreichweitigeKraft,derbeimEinpionenaustauschnurdurchAbbruchkriterienRechnunggetragenwerdenkonnte,durchBetrachtung massiverermesonenerklart.esmussenmindestens13freieparameterangepatwerden [NAG78]. ParisPotential nen(769)und!(783))entdecktwurden,wurdederenaustauschcharakter,wieschon NachdemnebendenPionen(138)weitereMesonen(Pseudoskalare(549),Vektormeso- derinsgesamtsiebenpotentialanteilemitjezweiisospineinstellungenistmithilfevon 12FunktionenderYukawa-Formparametrisiertworden,sodaes1412=168Parameter ProtonWechselwirkung,furdenEnergiebereichbis330MeV[COT73,LAC80].Jeder DasParispotentialistdasammeistendetailliertephanomenologischeModellderProtongibt.DerGroteilwirddurchbekannteNN-KopplungskonstantenunddasAnpassen des2-austauschesandiemedatenfestgelegt.lediglichetwa60parameterbleibenfrei [MAC94]. [MAC94]{hervorgehoben:DasBonn-unddasRuhrPot-Potential: ZweiderdargestelltenPotentiale,diezugleichdiemodernerensind,seien{trotzder starkpolemisiertendebatte,diedurchdatumsabhangige2-betrachtungenbegleitetwird Bonn-Potential DieverschiedenenVersionendesPotentialsgehorenzudenammeistenetablierten.ErstmalswurdenkonsequentdieMethodenderkovariantenFeldtheorieangewendet,wobeidagrangeansmussenangepatwerden. ModellaufLagrangefunktionenderbeitragendenMesonenbasiert[MAC87].Dazuwerden diebeitragedereinzelnenfeynman-graphenermitteltunddieprozessehohererordnungenaufdieseweiseberucksichtigt.12kopplungskonstantenderzugehorigenmesonenla- yobep:onebosonexchangepotential

8 RuhrPot-Potential 6 KAPITEL1.EINLEITUNG DieseerfullendieHermitizitatsforderung,weswegendieMassedesktivenTeilchens,das dungorthonormierterwellenfunktionennachdemokubo-formalismus(s.anhanga). beimbonn-potentialalsdoppelter-austauschinterpretiertwerdenmu,denwertdes EinwesentlicherVorteilgegenuberdemBonn-PotentialergibtsichhierausderVerwen- experimentellbeobachtetenf0(980)-teilchensannimmt.imrahmenderexperimentell vorgegebenengrenzenmussenzwolfkopplungskonstantenangepatwerden[ede96a]. EinqualitativerVergleichderneuerenMesonenaustauschpotentialelatsichgrobanHand experimentellerdatenanstellen,dieindertab.1.1aufgelistetsind. deranzahlanzupassenderparameterunddererreichtenqualitatbeiderbeschreibung 2(pn)-Streuung freieparameter NijmegenParisBonnRuhrPotReferenz >13 6,53 4,41 >60 4,35 4,16 1,88 1, ,68 12 [EDE96a] Tabelle1.1:GroberVergleichverschiedenerMesonenaustauschpotentiale 2(pp)-Streuung 2,06 2,31 1,94 - [MAC94] [PLU94] 1.2 DerBeschreibungderstarkenWechselwirkungliegtdasModellderKraftvermittlung uberaustauschquantenzugrunde,dieimrahmenderheisenbergschenunscharferelation MotivationausderTheorie legtesogarnahe,einpotentialzukonstruieren,welchesnichtnurdenaustauschquanten, sondernauchdenreaktionspartnernselbstvirtuelldenenergiesatzzuverletzenerlaubt. [HEI27]kurzfristigEnergieundImpulszwischendenStopartnernubertragen.DieseIdee mustinevitablyaccompanyindividualnucleon-nucleoncollisions...theprocessinquestionisthebremsstrahlungarisingfromthecouplingofthenucleonstotheelectromagnetic eld...andthenuclearinteractionbetweenthenucleons.\mitdiesenwortenwurdevon AshkinundMarshak1949[ASH49]dieSuchenach-QuanteninNukleonenstoen,insbesondereinProtonenstoen(pp!pp),eingeleitet.DieEnergie-undImpulsbilanz(s. GesuchtwareinegeeigneteUntersuchungsmethode,welcheinderMessungderReaktion pp!ppgefundenzuseinschien:"...wewishtoconsiderathirdsourceof-rayswhich Abb.1.1)lautenunterZuhilfenahmederaufSeite103angegebenenNomenklatur:

9 k p p 1 2 p 1 p p k p 1 p MOTIVATIONAUSDERTHEORIE 7 0=P2kp1 P02 1=(E1+k)2 (~p1+~k)2 (E02 1 ~p02 =m02 {z 11) } =m21 m02 1+2E1k 2~p1~k 1+2k(E1 qe21 m21cos#) 1+2E1k 2p1kcos# >0 {z }: DieEnergieerhaltungmudaher(fallsm01=m1)furdasintermediareProtonp01verletzt Abbildung1.1:Emissioneinesimpp-Sto diehonug,inderpp-reaktioneinwerkzeuggefundenzuhaben,umaufdiegesuchten netischerundsomitimrahmenderquantenelektrodynamikbekannternaturist,besteht sein,esist"o-shell\z.dadervertex,derdieaussendungeinesbeschreibt,elektromag- o-shell-eektezuruckschlieenzukonnen. EinigefurdieReaktioninFragekommendenProzessesindinAbb.1.2dargestellt. shellverhaltenbeitragendermesonenaustauschvorundnachderaussendungeinespho- tons,(c)ruckstreuprozesse(rescattering),(d)deltaresonanzbeitrage(n(;)),die (c)werdenimfolgendenmit"impulseapproximation:ia\und(d)und(e)als"meson EXchangeCurrent:MEXC\bezeichnet. mitwachsendereinschuenergiezunehmen,(e)internermesonenaustausch;(a),(b)und Abbildung1.2:Diezurpp-ReaktionbeitragendenProzesse:(a)und(b)zumo- mitdemradiuse.manbezeichnetdaherteilchen,furdiedieobigeenergiebeziehunggilt,alson-shell, anderenfallsalso-shell. ztragtmandiemassemgegendenimpuls~pauf,soergibtsichwegene2=p2+m2einekugel(shell)

10 BeiderUntersuchungderBeitragedero-shellEektederTypen(a),(b)und(c)in 8 KAPITEL1.EINLEITUNG potentialederreaktionendestypsiaimvergleichmitdentriumf-datenbeizwei nichtauosbareabweichungenvoneinanderzeigen,aberallesamtinahnlicherweisedie Mepunktexverfehlen.Abb.1.3zeigtdazudieVorhersageunterschiedlicherNukleonen- derabb.1.2stelltsichheraus,dadievierkonkurrierendenpotentialeexperimentell Detektorkonstellationen.WahrendfurdieersteDetektorkonguration(Protonenpolarwinkel#1=12und#2=12;4)einezufriedenstellendeBeschreibungerzieltwird,ist dasbeiderzweitenkonguration(#1=16und#2=27;8)nichtderfall. Abbildung1.3:VergleichderVorhersagenderpp-Reaktionfurverschiedene tereinanderundmitdentriumf- 4.2)Reaktionsgeometrie[EDE94]un- NN-Potentialebeikomplanarer(s.Abb. Daten.DasProton1wurdeindieselbe HemispharewiedasPhotongestreut;alle GroenbeziehensichaufdasLaborsystem. 280MeVEinschuenergie(knappunterderPionenproduktionsschwelle)durchgefurtworden,wobeialle dreiejektilenachgewiesenwurden[mic90].dietriumf-daten(triumf:tri-universitymeson Facility,TRIAbkurzungfurdrei,Kanada)werdeninderLiteraturoftmiteinemsichausdemVergleich xdiebisherausfuhrlichstemessungvonpp!pp,derenergebnisseveroentlichtwurden,istbei mitvorhersagendesbonn-unddesparis-potentialsergebendenkorrekturfaktor0,667versehen.bei vorliegenderbetrachtunghandeltessichumunkorrigiertedaten.

11 1.2.MOTIVATIONAUSDERTHEORIE ErstdiezusatzlicheBetrachtunginternerMesonenaustauschstromeundderBeitrageaus 9 retischerrechnungenfurdiefalleia+mexcundia. der-resonanz(mexc)bringteineverbesserung.abb.1.4zeigtdieergebnissetheo- fachdierentiellenwirkungsquerschnitt nenaustausches(mexc)aufdenfunf- Abbildung1.4:EinuderDeltare- imvergleichzureineniarechnunsonanzbeitrageunddesinternenmeso- ReaktionimRuhrPot-Modell[EDE94] genfurdenkomplanarenfallderpp- faktorsj(s.anhanga(a.83))proportional: welchesdiestreudynamikbeinhaltet,unddesdiekinematikbeschreibendenphasenraum- DerWirkungsquerschnittistdemProduktausdemQuadratdesMatrixelements~Mfi2, DieBeitrageeinzelnerStreuprozessezu~Mfi2sindinAbb.1.5graphischdargestellt. d1d2d#~mfi2j: d5 (A:83)

12 10 KAPITEL1.EINLEITUNG 280MeVEinschuenergieundder komplanarenwinkeleinstellung BeitragezumMatrixelement~Mfi2bei Abbildung1.5:Quantizierungder #1=16und#2=27;8[EDE94] NebendemprimarenWunsch,neueexperimentelleDatenzunden,falltbeimodernen 1.3 BeschleunigerneinzusatzlicherAspektinsGewicht:SeitAnfangdes20.Jahrhunderts ExperimentelleGesichtspunkte ndensichinderfruherenliteraturangabenzurpp-reaktionnurmitpolarwinkeln warenexperimenteanbeschleunigern{angesichtsdamaligerexperimentierverhaltnisse{ inderregionum30.dieerstendatenum12[mic90]habengroesinteresseaus- mitdemnachteilbehaftet,untergroerenpolarwinkelnmessenzumussen.deshalb gelost.diemoglichkeit,beideprotonenbeikleinenwinkelnnachzuweisen,lateineun- denkonnen,ohnedaderenuntergrundcharakterubermassiginerscheinungtritt.aus tersuchunghochenergetischer0sundsomiteinesmoglicherweiseverstarkteno-shellver- haltenszu.fernerlassensich{wegenihresknappoberhalbderproduktionsschwelle derviererimpulserhaltungergibtsichdiejeweiligekinetischereaktionsschwellenenergie kleinenonungskegels{reaktionenmessen,diemitderpp-reaktionverglichenwer- TLimLaborsystemundderzugehorigeSchwellenimpulspLzu TL=(Pimi)2 4m2p sichuberallereaktionsprodukteierstreckt.tabelle1.2fuhrtreaktionenauf,derenuntersuchungderzeitzielweltweiterexperimente[eri93]undauchamcosy-beschleuniger wobeimidieruhemassederteilchen(mp:protonenruhemasse)bedeutet,unddiesumme 2mp ;pl=q(tl+mp)2 m2p; (1.2) (CoolerSynchrotron)ist.

13 1.3.EXPERIMENTELLEGESICHTSPUNKTE Reaktion TL pl 11 pp! ppelastisch pp pp0 (MeV)(MeV=c) d+ 279, ,53 pn+ 287,52 292,30 788,80 796,21 0 pp+ pk+ 1582,17 600, ,40 Tabelle1.2:Auistungwichtigerpp-ReaktionenimCOSY-Energiebereich 2339,29 Abb.1.6zeigtdenVerlaufdertotalenWirkungsquerschnitteeinigerReaktionenimCOSY- Energiebereich.Derin[KUH93]abgeschatzteWertfurdieReaktionppliegtbeiEnergien DerendgultigeAufbaudesFlugzeitspektrometersCOSY-TOF(TimeOfFlight),der Messungsehrerschwert. zwischen280mevund294mevbei(93)b.eristdamitummehralsdreigroenordnungenkleineralsderwirkungsquerschnittderelastischenprotonenstreuung,wasseine ermoglichen. gutencosy-strahl,solleineaufnahmegroerereignisanzahlunterkleinenpolarwinkeln dannnahezudenvorderenraumwinkelbereichabdeckenwird,inverbindungmiteinem

14 12 KAPITEL1.EINLEITUNG Abbildung1.6:VerlaufdertotalenWirkungsquerschnitteeiniger ReaktionenimCOSY-Energiebereich[NAU96]

15 1.4.UBERSICHT 1.4 Ubersicht 13 wahrendderzweitenmessunganderproduktionsschwellederpp!pn+-reaktion EshabenzweiStrahlzeitenzurMessungdesWirkungsquerschnittsderReaktionpp (T=292;8MeV). stattgefunden. derpionenproduktionsschwelle(kinetischeenergieimlaborsystemt=348;1mev), DieEinschuenergielagbeidererstenStrahlzeitknappoberhalb allerkomponentenundderzugehorigensoftware.fernersolltehierdurchdieerstellung DadieOptimierungdesCOSY-StrahlessowiederAufbaudesCOSY-TOF,dienachfolgenddargestelltwerden,nochnichtendgultigzuEndegefuhrtsind,handelteessich derauswertesoftwareforciertwerden. NachdemvorangegangenenhistorischenUberblickunddendarausfolgendentheoreti- DievorliegendeArbeitistfolgendermassengegliedert: schenundexperimentellengesichtspunkten,diedieuntersuchungderpp-reaktionmo- tivieren,folgtimnachstenkapitel2einebeschreibungdesbeschleunigerscosyund insbesonderebeidererstenstrahlzeitprimarumeineuberprufungderfunktionsweise FIS95,ZIE94,LAN94,BRA95a,RIN95,BRA95b,DAM95,HUB95,SCH95,SIN96, dendenmessungenvorausgegangenendiplomarbeitenunddissertationenndenlassen [WER92,BRA92,RIN92,FRI93,HER93a,CHA93,NAK93,STR94,LOK94,BOH94, dereingesetztenkomponentendesflugzeitspektrometerscosy-tof,diesichauchin ROH96]. DieKalibrationsmoglichkeitenderCOSY-TOF-KomponentenwerdenimKapitel3besprochen,undanschlieendndetimKapitel4eineDiskussiondergewonnenenMedaten samtderdiesbezuglichenuntersuchungsmethodenstatt. Kapitel5beinhaltetdieMeergebnisseundihreErorterung. ImAnhangBwerdendieErgebnisseintabellarischerFormaufgelistet. Potentials,umdessenBedeutungfurdievorliegendeProblematikhervorzuheben. ImAnhangAndetsicheineSkizzedesfeldtheoretischenAnsatzesdesRuhrPot-

16 Kapitel2 Experimentaufbau DasCoolerSynchrotron(COSY)wurdeam1.April1993inBetriebgenommen.Darin konnenprotonen,dievomalsinjektorverwendetenjulicherjulic-zyklotron(t= 2.1 COSY-Beschleuniger,Protonenstrahl sichu.a.dasflugzeitspektrometercosy-tof(timeofflight)bendet(abb.2.1). einerreiheinternerexperimentewurdendreiexterneexperimentierplatzeerrichtet,wo 40MeV)stammen,bisaufEnergienvonmax.T=2;7GeVbeschleunigtwerden.Neben Dipolmagnet Diagnosekicker Kavität vorgesehene Elektronenkühlung vorgesehene stochastische Kühlung Quadrupolmagnet elektrostatisches Septum Big-Karl TOF COSY-TOF Niederenergie-Meßplatz elektromagnetisches Septum intern:innerhalbdesbeschleunigerringsbendlich Abbildung2.1:COSY-Beschleunigeranlage 14 Zyklotron JULIC

17 2.1.COSY-BESCHLEUNIGER,PROTONENSTRAHL InTab.2.1sinddiebeidenbeidendurchgefuhrtenMessungentypischenStrahlparameter 15 aufgelistet. Emittanz Impulsscharfex=(9;27bzw.8;23)mmmrad y=(1;13bzw.3;94)mmmrad Teilchenstrom (extern)max.107s 1 p=p<110 3 Tabelle2.1:StrahlparameteramCOSY-TOFwahrendder1.bzw.2.Strahlzeit Tastverhaltnis 1:1(Dutycycle=0,5) jeweilskleinerwerdendemlochangebrachtsind. dieintensitatdeshaloeinigeprozentdergesamtintensitatbetragt(abb.2.2),wurden amtof-meplatzaktiveblenden(vetodetektoren)eingebaut,dieinstrahlrichtungmit DaderProtonenstrahlzurZeitdieDesignwertenochnichterreichthatundinsbesondere der1.strahlzeitaufgenommenenstrahlquerschnitte(links:horizontal,rechts:vertikal) Abbildung2.2:IneinerEntfernungvonca.3mhinterdemFokuswahrend schnittgleichzusetzen(inderregelca.2h),wahrenddessensichdiestrahlfreienperioden DieStrahllageund-intensitatbliebenbisaufwenigeAusnahmenstabil.Abb.2.3zeigt mitdenca.2105spills(107protoneninca.7s)abwechseln). einemomentanaufnahmederstrahlverhaltnissewahrendder2.strahlzeit,wobeidiese BeispielediegrotenaufgetretenenSchwankungenzeigen(dabeiisteinRuneinemMeab-

18 16 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU (a)relativestrahllage,(b)relativevertikalestrahllageundderendurcheinenmagnetschadenverursachtemaximaleschwankung(runnr.25),(c)protonenanzahlnppro SpillalsFunktionderRunnummer.In(a)und(b)stelltjederderPunktedenMittelwert auseinemspilldar. Abbildung2.3:Strahlverhaltnissewahrendder2.Strahlzeitca.3mhinterdemFokus: nung.alsdetektormaterialwurdenorganischeszintillatoreneingesetzt(bc418,bc EinFlugzeitspektrometerbestehtimwesentlichenauseinerStart-Stopp-Detektoranord- COSY-TOF derfa.bicron).dasdarinvongeladenenejektilenerzeugteszintillationslichtgelangt FlugzeitdergeladenenEjektile.FernerliefertdiePulshohederaufgenommenenSignale bestimmt.ausderdierenzbildungderstart-zudenstoppsignalenerhaltmandie DerZeitpunkteinesSzintillationsereignisseswirdmittelsLeading-Edge-Diskriminatoren uberplexiglaslichtleiterzueinemphotomultiplier,deresinelektrischesignaleumwandelt. einmafurdenenergieverlustde=dx. folgendeeigenschaftenbesitzen: Orts-undZeitauosungnachzuweisen.DaruberhinaussolltedasFlugzeitspektrometer DasCOSY-TOFwurdekonzipiert,umgeladeneTeilchenmitzugleichmoglichstguter -groeraumwinkelabdeckungdervorderenhemisphare(nahezu2 -minimalemassenbelegungundsomitmoglichstvernachlassigbarestorung imlaborsystem), -VerarbeitunggroererTeilchenmultiplizitat(<5), derejektile, InderAbbildung2.4sinddieHauptkomponentendesCOSY-TOF,dieinnachfolgenden Unterkapitelngenauerbeschriebenwerden,dargestellt.UmdieAnzahlanStreuereignis- -Azimutal(')Symmetrie.

19 2.2.COSY-TOF senzwischendemprimarstrahlundderluftauszuschlieen,wirddiegesamtedetektoranordnungimvakuumbetrieben.zudiesemzweckwerdendiedetektorenvoneinem 17 nentendesstartdetektors(ringeaundb)durchschlagenunderzeugensignaleentweder imstoppdetektor,derdiepolarwinkelvon3biszu33abdeckt,oderauchinden"elasti- Strahlprotonen,dieamWechselwirkungsortgestreutwerden,konnendiebeidenKompo- 15mmstarkenEisenschild(inderAbbildungnurzurHalfteeingezeichnet)umhullt.Die schen\zahlern,dieeinenkoinzidentennachweisderpartnerderausderelastischenpro- tonenstreuungstammendenundimstoppdetektornachgewiesenenprotonenermoglichen. Abbildung2.4: SchnittdesCOSY-TOF-SpektrometersentlangderStrahlachse. VondemdieDetektorenumhullendenEisenbehalteristnurdieobere Halfteeingezeichnet(siehedie BeschreibungimText). ImFolgendenwerdendieexistierendenundbereitsbeidenpp-Messungeneingesetzen Wieerwahnt,bendensichdasCOSY-TOFundderBeschleunigernochimAufbau. Komponenteneinzelnbeschrieben.

20 Gasabfuhr Target KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU BeiderUntersuchungderpp-oderderpd-WechselwirkungenbenotigtmangeeigneteTargetmaterialien.HierzuwurdeeinuniversellesTargetkonzipiert[NAK93,JAE92,HAS97]strahl{denWechselwirkungsortgeometrischdenieren(Abb.2.5). dessenkleineabmessungen{nurinverbindungmiteinemgutfokussiertenprotonen- Abbildung2.5:Ansicht deslh2-targetngers SMD Widerstand Targetfinger Targetzelle: 4 mm 6 mm Protonenstrahl DieTargetzellekannussigenWassersto(LH2,d.h.Protonen)oderussigesDeuterium (LD2,d.h.Deuteronen)aufnehmen.DasHerzstuckdesTargetsstellteinKupferhohlzylin- Fensterfolien derdar(4mmlang,=6mm,wandstarkeca.65m),dessenstirnachenmitmylar- wahrendder1.strahlzeiteineca.2mundwahrendder2.strahlzeitsogareineca.0,9m nenmitdemprimarstrahlfuhrt,dar.wegendeskleinentargetzellendurchmesserskonnte dermechanischenhaltbarkeitunddermassenbelegung,diezuunerwunschtenreaktio- Folie(C5H4O2)abgedichtetwerden.DieDickederFolienstellteinenKompromizwischen DiesoaufwachsendeEisschichtmuverdampftwerden.Umdieszubewerkstelligen,wird N2)aufdenFensterfoliennieder,waszuungewunschten"Untergrundreaktionen\fuhrt. dunnefolieverwendetwerden.wahrenddermessungschlagensichrestgaspartikel(o2, dietargetzelleinabstandenvoneinigenstundenlokalmithilfeeinessmd-widerstandes erhitzt[has97],waseinevernachlassigbareunterbrechungdesmevorgangesbedeutet. mischeneigenschaftenvonlh2inabb.2.6dargestellt. DieDampfdruckdatendereingesetztenMaterialiensindinTab.2.2unddiethermodyna-

21 2.2.COSY-TOFMaterialTemperaturarbeitspunktDichte[g=cm3] 19 LD2 LH2 beip=200mbar 15,83K 19,10K 0,07528 Tabelle2.2:DampfdruckdatenderTargetmaterialien 0,17324 und-zusammenhangedes LH2[KOH68] Abbildung2.6:p ;T ; UmdasCOSY-TOFinkurzerZeitmithoherProtonenanzahlgroachigzubestrahlen undaufdieseweisezukalibrieren,wurdewahrendder1.strahlzeiteinbleitargeteinge- mittlerenwinkel[rpp94] setzt(abb.2.7).diedarinaufgrunddercoulomb-vielfachwechselwirkungunterdem #=13;6MeV cps zsxx01+0;038ln(xx0) (2.1)

22 40 mm Bleivollzylinder Position des LH2 Targets Ring B des Startdetektors (s.u.) mitdengroen 20 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU -ps:strahlimpuls, -#:mittlererstreupolarwinkel, -;c:teilchen-,bzw.lichtgeschwindigkeit, -z:ladungszahldesprojektils(zp=1), -x:targetdicke, gestreutenprotonenhabenannaherndgleichegeschwindigkeiten(s.s.51.)undeignen sichsomithervorragendzurbestimmungdesenergieverlustesderprotonenindendetektorkomponenten. -X0:Strahlungslange,Blei:X0=5;6mm, Strahlachse Abbildung2.7:MaeundPositiondesBleitargets 91,05 mm 80,1 mm 36,5 mm gas(s.s.57)unddesdarinimplementierteninc-codesy[zie]wurdediedickevon80mm gewahlt. AufGrundeingehenderUntersuchungenmitHilfedesMonteCarlo-SoftwarepaketsLasVe- yinc:internuclearecascade

23 2.2.COSY-TOF diemoglichkeit,experimentspezischestartdetektoreneinbauenzukonnen.dabeider direkt(19mm)hinterdemtargetbendlicherstartdetektor.dascosy-tofbietet pp!pp-reaktiondasungeladenenichtdirekt,sondernuberdierekonstruktion DieInformationuberdenStartzeitpunkteinerphysikalischenReaktionlieferteinsich seinesviererimpulsesnachgewiesenwird,kommtesinbesondererweisedaraufan,die ImpulsederbeidenProtonenmithoherPrazisionzumessen.DiezuerreichendeZeitauflosungmubesserals300pssein,dieMassenbelegungdurchdieSzintillatorendarfaber solltemoglichstfruheineersteselektionderereignissevorgenommenwerdenkonnen.der kaumkleinwinkelstreuungzulassen.daherstelltdaskonzeptdesstartdetektorseinen KompromizwischendererreichbarenZeitauosungundderMaterialdickedar.Ferner (Abb.2.8).Die0,5mmdickenSzintillatorelemente(Material:BC418,Fa.BICRON)des auerenringsbsinduberlappendangeordnet,umeineluckenloseraumabdeckungzu amforschungszentrumrossendorfgebautestartdetektor[sch94b,sch95]ist16-fachin erreichen. derazimuthalen(')undzweifachinderpolaren(#,ringa-ringb)richtungsegmentiert UmReaktionendesPrimarstrahlsmitdenDetektorelementenzuvermeiden,betrugdas bedampfteniob-hohlzylinder)vonxp2020photomultipliernnachgewiesen. DasindenSzintillatorenerzeugteLichtwirduberHohllichtleiter(mitAluminiuminnen DiegenauenMaesindinAbb.2.9angegeben. innerelochdesringsabeider1.strahlzeit2mmundwahrendder2.strahlzeit2,5mm DieInformationuberdieFlugzeitderReaktionsprodukteerhaltmanausderDierenz derstopp-undstartzeitpunkte.ummoglichsthoheejektilmultiplizitatenverarbeiten Stoppdetektor tierten,ca.5mmdickenszintillatorlagen(bc404,fa.bicron)(abb.2.10): zukonnen,bestehtderstoppdetektorausdreije6mmvoneinanderentferntensegmen- -2.Lage:24linksgewundeneStreifen,Nr.48-71("Bananen\oder"Ql\);derForm -1.Lage:48geradeStreifen,Nr.0-47("Pizzas\oder"Qg\), -3.Lage:24rechtsgewundeneStreifen,Nr.72-95("Bananen\oder"Qr\). einerarchimedischenspirale(r=const')folgend,

24 22 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU y y x z Ring A 5 cm Abbildung2.8:Vorder-undSeitenansichtderSzintillatoranordnung imrossendorferstartdetektor[nau96] Ring B Laborsystemsabdeckte(#min=3;#max=33).DerAbstandTarget-Quirlvon875mm von875mmvomtargetaufgestellt,sodaer16,53%dervorderenhemispharedes 42mm;rmax=580mm).ErwarwahrendderbeidenMeperiodenineinemAbstand Das"verquirlte\AussehendesStoppdetektorsgabihmseinenNamen:Quirl(rmin= stellteinoptimumhinsichtlichguterzeitauosungundgenugenderakzeptanzdar.

25 2.2.COSY-TOF deg Ring B Ring A Target Abbildung2.9: 80 deg Startszintillatoren(Angabenin mm)[zie] Maeder NebendenHauptkomponenten(Start-undStoppdetektor)desCOSY-TOFswurdeeine ReiheweitererDetektoreneingesetzt,umdieStrahllageunddieStrahlintensitatgenau Zusatzdetektoren zubestimmenundeineabsolutenormierungdermedatenzuermoglichen. Vetodetektoren Wiebereitserwahnt,wirdversuchtdievonHaloteilcheninduziertenEreignissemitHilfe dervetodetektorenzuunterdrucken.eswurdendreinachdergroebzw.denkonstrukteurenbenanntevetodetektoreneingebaut,umdenstrahlfokuszudenieren: -"BigVeto\:eineausfunfgroachigenSzintillatorenbestehendeAnordnung,die getretenenprotonennachweist, ca.2mvordemtargetdiebeimextraktionsvorgangausdemstrahlrohrheraus- Protonenstrahl

26 24 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU sindschwarzeingefarbt.dieuberlagerungdergetroenenstreifenergibtdieauftreorte Abbildung2.10:AufbaudesQuirldetektors;vonEjektilengetroeneSzintillatoren (Pixel)derTeilchen. -"MolnarVeto\:dasInneredesStrahlrohrs(100mm)ausfullender,5mmdicker -"HassanVeto\:einunmittelbarca.10mmvordemTargetangebrachtes0;5mmdickesSzintillatorscheibchen(ebenfallsvoneinemXP2020Multiplierausgelesen) (5mm)beider1.(2.)Strahlzeit, Szintillator(ausgelesenvoneinemXP2020Multiplier)miteinemLochvon8mm AngesichtsdesHalodesPrimarstrahlesundderdaraussichergebendenWechselwirkungsratemitdenVetodetektorenvonbiszu106s 1stelltderAufbaueinemogliche DieKlarungkannnureinVergleichdesZustandesmitundohneVetodetektorbringen. EinSzintillationsdetektorhatstetseinekleinereNachweiswahrscheinlichkeitals100%. miteinemauendurchmesservon15mmundzentralenlochernvonbiszu2mm. Untergrundquelledar.DaheristderEinsatzinsbesonderedes"Hassan\-Vetosfraglich. werden.eshatsichalssehrnutzlicherwiesen,einenrubinkristallinverbindungmiteiner InderAnfangsphasejederMeperiodemuderProtonenstrahlaufdasTargetfokussiert

27 Szintillator 15 mm dick Lichtleiter 2.2.COSY-TOF CCD-Kamerazuverwenden.DerRubin,derbeiderBestrahlungmithochenergetischen 25 Kamerabeobachten[ROG96]. ProtonensichtbaresLichtemittiert,bendetsichunmittelbarca.20mmvordemTarget. PAD-Detektor AbeinerStrahlintensitatvonca.105s 1mm 2ProtonenlatsichderStrahleckmitder demkurzenquirl-target-abstandteilchenunterkleinenwinkelnnachweisenzukonnen, wurdezudenmezeitendasquirlinnenlochvonr=42mmmitdempad-detektor derengroedenabstanddesquirlsvomtargetaufmehreremetererhohen.umbei DergeplanteweitereAusbaudesCOSY-TOFsiehtweitereaktiveKomponentenvor, ausgefullt,welcherausinzweiringenangeordnetenszintillatorsegmenten(auererring: achtsegmente;innererring:viersegmente,ausgelesenvoneinemr5600photomultiplier)besteht.dasaussehendespad-detektors(abb.2.11)gabihmseinennamenz. Abbildung2.11:SchemadesPAD-Detektors Beamhodoskop Photomultiplier + Base UmeinegrobeStrahlintensitatsmessungvorzunehmensowiedieStrahllageundden Strahlquerschnittzubestimmen,bendetsichimStrahlengangca.3mhinterdemTargetein3232mm2oderwahlweiseein6464mm2groerDetektor,bestehendjeweils zpad:imengl.polster,block

28 auszweigekreuztenlagenmitje16(bzw.32)rechteckigen22mm2dicken,szintillierendenfasern(bcf12,fa.bicron),dievon16-fachphotomultipliern(r4760,fa. 26 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU Hamamatsu)ausgelesenwerden[SCH94a,DEL96]. "Elastische\Zahler MessungdesbereitsbekanntenWirkungsquerschnittsderelastischenProtonenstreuungpp!ppelgewonnen.DieEjektilederelastischenProtonenstreuungweiseneine DieQualitatderAngabeeinesWirkungsquerschnitteshangtvonderGenauigkeitder KenntnisderLuminositatab.DieInformationuberdieLuminositatwurdeausder DieAufnahmedespp!ppel-KanalserfordertedaherbesondereManahmen.ImRahmenvorliegenderArbeitwurdennebeneinandervier6mmdickeSzintillationszahler(Abb. 2.12,Abb.2.13)indenbereitsbestehendenAufbauintegriert,sodadieausderelasti- elastischenprotonenstreuungnachweisenzukonnen,wurdevomstoppdetektor(quirl) nichtabgedeckt(s.s.22). festepolarwinkelkorrelationauf.dernotwendigeraumwinkel,umbeideejektileder schenstreuungstammendenprotoneninkoinzidenznachgewiesenwerdenkonnten. zylindr. Lichtleiter o Ring Szintillator BxHxT: 120x6x285 44,4 verwundener Lichtleiter ,6 Abbildung2.12:"Elastischer\Zahler

29 2.2.COSY-TOF 27 Elastische Zähler l=1967 l=2103 R=1765 Targetort Protonenstrahlachse y y Quirlfläche Quirlfläche x ϕ=41,25 ϕ=56,25 Targetort z: Protonenstrahl achse x ϕ=26,25 ϕ=41.25 Targetort z: Protonenstrahl achse ϕ=15 ϕ=15 4 x Szintillator Abbildung2.13:Lageder"Elastischen\Zahlerbzgl.desQuirls(Angabeninmm) 4 x Szintillator 1. Meßzeit: Sept. Okt Meßzeit: Okt. 1996

30 Datenaufnahme KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU TOFExperimentwarGegenstandmehrererArbeiten[BRA92,RIN92,RIN93,RIN95, DieErstellungunddieBetreuungderProgrammezurDatenaufnahmefurdasCOSY- OS/9-BetriebssystemgarantierteinefesteReaktionszeitaufeinInterrupt.DasSubeventbuildingwirdaufderFastbus-SeitevonAEB-MasternxundaufderCAMAC-Seitevon EltecEurocom6(kurz"E6\)miteinem68030-MotorolaProzessorundeiner32-bitbrei- BRA94,STE94].DasKernstuckderHardware(Abb.2.14)stellteinMikrocomputer tenvmey-vsb/vdbz-verbindungzudenfastbusundcamacmodulendar.das EinimSzintillatordesCOSY-TOFerzeugtesSignaldurchlauftfolgendeStufen: Controllern{ubernommen. -LichtleitunguberPlexiglaslichtleiterbiszumPhotomultiplier, -SignalleitungzurFrontEndElektronik(Abb.2.14)uberRG213/U(5ns=m)bzw. -UmwandlungderLichtpulseinelektrischeSignaleimPhotomultiplier, -aktivessplittingimzelk-diskriminator;dasanalogeundeinesderdigitalensignale imfallderstartdetektormoduleuberaircom-kabel,diesichdurchihrerelativ kurzesignallaufzeitenauszeichnen(4ns=m), -KombinationrestlicherDiskriminatorausgange,u.a.werdenanschlieenddas gelangenubereindelaydirektzumqdcbzw.zumtdcyy, DasAuslesenderFrontEndHardwaresowiedieArchivierungderDatenaufdenMag- Common-Stop-Signalzz,logischeVerknupfungenderMehrfachtreerimTOF,der netbandern(exabyte)bewerkstelligtdieinbochumweitgehendmodizierte,inderpro- grammiersprachecverfatetdas-software[lin91,rin92,rin95,bra94].u.a. ermoglichttdaseineverwaltungvonexperimentspezischenparametern(hochspan- Taktfrequenz:25MHz,Hauptspeicher:8MB {STR610/CBVoderSTR611/DMS,Fa.Struck xaeb:alepheventbuilder,str501,fa.struck zvsb:vmesubsystembus,vdb:vmedierentialbus yvme:versabusmoduleeuropa Trigger(s.u.)uvm.aufgebaut. baredatendurchsatzbeiderbenutzungeinesexabyte-laufwerksliegttypischerweisebei nung,schwellen)sowieeinebequemeprogrammierungdestriggers.dermaximalerreich- Philips10C2,10BitFastbus-QDCmit32Kanalen keigenbaudeszel:zentraleselektroniklaborderkfajulich;der16-kanal-diskriminator yyphilips10c6,10bitfastbus-tdc(100ps/bin)mit32kanalen gang Ausgange,fernerbesitztereinenMultiplizitats-undeinenFast-OrAusgangaberkeinenTestein- LeadingEdge(LED)verfugtubereinenanalogenundzweidigitaleECL(EmitterCoupledLogik)- zzdie10c6-tdcswerdenimcommon-stop-mode(d.h.derzeitmessungeninallen32kanaleneines TDAS:TemporaryDataAcquisitionSysyem TDCsliegteingemeinsamesStoppsignalzugrunde)betrieben

31 2.3.DATENAUFNAHME 29 FASTBUS Festplatte 170 MB Exabyte 8500 VT 100 VT 100 QDC 10C2 TDC 10C6 AE EB BI > SS2 > 4 divices online > 1 device online VMEbus Eurocom 6 85MB Festpl. SCSI VT 100 CAMAC CAMAC VDB 6 V.24 Hoch spannungs versorgung C D B M V S C D B M V S lokales Ethernet Optokoppler Front End Elektronik LeCroy 1440 $ telnet messy $ netscape & $ mail soeren@pktw09 $ xblast $ qtdas2xd ne6./diagnose rs rg rc & $ qdisp & IBM Risc 6000/360 Exabyte 8500 IBMX Station IBMX Station IBM Konsole IBM zum Rechenzentrum zam047.zam.kfa juelich.de KFA Net (Ethernet) SCSI Festplatte 1 GB Datenauslese + HV Steuerung Diskriminatoren *10 Abbildung2.14:Steuerungs-undDatenausleseschemadesFlugzeitspektrometers PC PC SPS CQM1: Diskriminatorsteuerung Targetsteuerung Pumpensteuerung IBM IBM

32 450kB=s.Damitlassensichca.1000Ereignisse=saufnehmen. 30 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU periments. EinEthernet-InterfacezuIBM-RISCRechnernermoglichtdiestandigeKontrolledesEx- Triggeraufbau WahrendderStrahlzeitistesnichtsinnvoll,beliebigvieleEreignissezuspeichern,da diemeistenwedereineinteressantephysikalischeaussagebeinhalten,nochkonntedie angesammeltedatenmengeinangemessenerzeitbewaltigtwerden.esmudaherbereits Signalmusterausgelegt,dieeinzelnenphysikalischenReaktionenzugeordnetwerden. werden.diesemeistkomplizierteelektronischeverschaltungistaufdiesuchegewunschter BegridesTriggersverbirgtsichdieArtundWeise,wiedieDetektorsignaleverarbeitet wahrendderexperimentlaufzeit(on-line)eineauswahlgetroenwerden.hinterdem ZEL-Diskriminators,dieTeilchenmultiplizitatzuermitteln,indemimdahintergeschaltetenDiskriminatorunterschiedlicheSchwellengesetztwerden. ZurMustererkennungwerdenunterschiedlicheInformationenherangezogen.ImFalleeiner Kriterium.WieinAbb.2.15dargestellt,ermoglichenStromsummenausgange(I)des Dreiteilchen-ReaktionbietetdieTeilchenmultiplizitatimAusgangskanaldaseinfachste LagendesQuirls(Qg,Ql,Qr)bestimmen. AufdieseWeiselatsichdieTeilchenzahlsowohlimStartdetektoralsauchinallendrei ImFalleeinespp-TriggersbewirkenimIdealfalldiebeidengeladenenTeilchenje zweieintrageimstart-undstoppdetektor.umdiedatenmengenichtzurestriktiv zubeschneiden,lagenbeidenstrahlzeitenbeiderverschaltungdespp-triggersdie Forderungen -mindestenseintreerimstartdetektorund zugrunde. AndereTriggerzweigeerfordertenweitereBedingungen:Z.B.wurdezurAuslosungeines -mindestenszweitreerinmindestenszweiderdreiquirllagen(qg,ql,qr) aufdieelastischeprotonenstreuungsensitiventriggersignalsnebenjeeinemeintragim Start-undStoppdetektorzusatzlichmindestenseinEintragineinemdervierElastischen einschnellestiming-signalgewonnen,dasinallenfolgendenkoinzidenzstufenzeitbestimmendist(abb.2.15)undletztlichalscommonstopgenutztwird. AuerdemwirdausdenFOR-AusgangenyderZEL-DiskriminatorendesStartdetektors Zahlergefordert. Inhibit-Signalen)verschaltet[STE97,BRA95b,BOH94]. MitHilfevonECL-Logik-StufenwerdendieMultiplizitatenzuunterschiedlichenTriggern undderenkennzeichnung(pattern)sowiezugehorigenaufnahmefenstern(gatesund yfor:fastor

33 2.3.DATENAUFNAHME 31 Start multiplizität Quirl multiplizitäten TDC QDC 32 x Start ZEL LED OR Σ (Ι) TDC QDC Disk Σ > 0 Σ > 1 TIMING 16 x Qg ZEL LED OR= Σ > 0 Σ (Ι) Σ > 1 16 x Ql TDC QDC ZEL LED OR= Σ > 0 Σ (Ι) TDC QDC Disk Disk Σ > 2 Σ > 1 Σ > 2 TRIGGER LOGIC Verknüpfung von Multiplizitäten Trigger, Triggertypen, Gates, Common Stop 16 x Qr VETOs Zusatz ZEL LED TDC QDC ZEL LED OR= Σ > 0 Σ (Ι) OR TDC QDC ZEL LED Disk Σ > 1 Σ > 2 jeweils ein OR VETO TIMING TRIGGER VETO Abbildung2.15:Triggeraufbauschema 80 ns 40 ns 10 ns

34 DerEinsatzeinesaufMLU-StufenzbasierendenTriggersbendetsichinVorbereitung 32 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU [BRA95b]. On-undOineAnalysesoftware AmCOSY-TOFwirddiesdurchdieAnwendungdesinC++-geschriebenenXD{- derselbensoftwareabgedecktwerden. OineauswertungenxderMedatenalsauchdieBetrachtungvonMonteCarloDatenmit UmdenProgrammieraufwandzuminimieren,istesvorteilhaft,wennsowohldieOnline-, TDAS-Formatwerdendurchdastdas2xd-ProgramminsXD-Formatverwandeltundin gewunschtespektrendurchdassorter-programmeinsortiertundvisualisiert.derbenutzerhateinenuneingeschranktenzugriaufdiedatenundkanndemdatenstrom Verfugung,daseinevisuelleEreignisbegutachtungermoglicht. Softwarepakets[STE94,GAS92]bewerkstelligt.DievonderE6stammendenDatenim sogareigene,kalibriertedatenhinzufugen.fernerstehtdemnutzereinhitdisplayzur DieAbb.2.16zeigteinspezischesDisplayderMedaten. Laserkalibrierungssystemsein. 2.4 EinenumfangreichenTeilderArbeitnahmenderBauunddieInstandhaltungdes Laserkalibrierungssystem Fa.ATOS).DessenUV-Licht(=137;2nm,Pulsdauer300psFWHM)wirdzumTOF HER94]bildeteinLaser(LN120C,Fa.LaserPhotonics,inDeutschlandvertriebenuber DasKernstuckdesinmehrerenJahrenerarbeitetenKonzepts[HER93a,HER93b,LOK94, 2.17). uber200m-lichtwellenleiterdeneinzelnentofsegmentenzugefuhrtwird(abb. uberlichtwellenleiter(=1mm,fa.ceramoptec,bonn)geleitet,woesverteiltund latoren,klebungen,lichtleiter,el.signalubertragung,ausleseelektronik,software)zu vergleichbarezeitlicheverhaltenermoglichtdiefunktionderausleseelemente(szintil- wodurchdievondenreaktionsteilchenstammendenlichtblitzenachgeahmtwerden.das DasUV-LichtsetztindenSzintillatorendenWellenlangenschiebe-MechanismusinGang, bewerkstelligen. DaruberhinauslatsicheinrelativerZeitabgleichdereinzelnenSzintillatorsegmenteauf besserals1nsvornehmen. uberprufenundeinegrobevoreinstellungdertriggerlogikbereitsohnestrahlteilchenzu DieFunktiondesLasersselbstwirdmiteinemReferenzsystemuberwacht.Eine241Am -QuellebestrahltdabeieinenkleinenSzintillatoreinesvergleichbarenTypswiedieSzintillatorendesTOFs(BICRON408,NE210),dessenLichtvoneinemXP2020Multiplietion(z.B.Kinematik)inMuster,dieaufdieDetektorkanaleabgebildetwerden,schnell(unter40ns) umzusetzen. zmlu:memorylookupunit;diesemoduleermoglichendiekenntnisubereinephysikalischereak- {XD:X-Display(UNIX-spezischerJargon) xonline:wahrendeinermeperiode,meistgrobvorgenommeneauswertung,oine:einededizierte unddetaillierteuntersuchungderaufmagnetbandgespeichertendaten

35 2.4.LASERKALIBRIERUNGSSYSTEM 33 obenlinksmissingmass-spektrum(s.s.59),mittelinkseintdc-undeinqdc- Spektrum,obenrechtspotentiellespp-Ereignis,untenrechtspotentiellesppel-Ereignis, Abbildung2.16:DarstellungderbenutztenO-undOnlineDaten-Visualisierung: angesprochen) untenlinkshitdisplayeineskalibrierungsereignisses(alledetektorkomponentenwurden

36 34 KAPITEL2.EXPERIMENTAUFBAU Base PM 241 Am Referenzsystem UV Stickstofflaser Laserkalibrierungssystem Signalwandler Servo Motoren Filtersystem Lichtwellenleiter COSY TOF Stopp (Quirl) Start VT 100 CAMAC $ qtdas2xd ne6./diagnose rs rg rc & $ qdisp & IBM Risc 6000/360 OUTPUT Register C D B M V S IBM Konsole IBM VMEbus Eurocom 6 85MB Festpl. 6 QDC 10C2 FASTBUS TDC 10C6 AE EB BI Datenauslese Abbildung2.17:DasLaserkalibrierungssystem SCSI

37 2.4.LASERKALIBRIERUNGSSYSTEM nachgewiesenwird.dieintensitatdessoerzeugtenszintillationslichtswirdmitderjenigen 35 verglichen,dievondenlaserpulsenstammt.etwaigelangzeitschwankungenderlaserintensitatlassensichdurchdiebetrachtungdesquotientenderbeideninformationen mittransmissionskoezientenvonca.85%(abb.2.18)werdendazudurchservo-motoren feststellen.einediesbezuglichekorrekturderzumtofgeleitetenlichtintensitatwird mithilfeeinerfilteranordnungvorgenommen.sechsfilteraus2mmdickemflintglas bewegt. f(x)=exp(p1+p2x)gettet.alsferhlerbalkenwurdedas2.momentaufgetragen. Abbildung2.18:TransmissionderUV-Filter.AndieMedatenwurdedieFunktion FernerdurchlaufendieReferenzsignalenichteinenLeadingEdge(LE)Diskriminator,wie Interface.DadurchisteinsteterZugriaufdieFilterwahrenddesExperimentesmoglich. UmwandlungderNIM-inpulslangenmodulierteSignaleineinemseparatenEigenbau- DieFiltersteuerungerfolgtubereinCAMAC-Outputregisterundnachanschlieender Fraction(CF)Diskriminatorverarbeitet.DiesogewonneneZeitinformationistvonder PulshoheweitgehendunabhangigundkannfurKalibriermessungenalsCommon-StopSignalgenutztwerden.WirdunterBenutzungdesFiltersystemsLaserlichtunterschiedlicher esimfalledertof-hauptkomponentengeschieht,sondernwerdenineinemconstant KorrekturinformationderBestimmungvonFlugzeitenzugrundegelegtwerden. eigeneschwankungauf(walk,s.abb.3.2),wahrenddascommon-stopsignalstabil IntensitatindasTOFeingekoppelt,weisenalleStartsignaleeinedemLE-Diskriminator bleibt.aufdieseweisekannderwalkallerrelevantertofzweigegemessenundals

38 Kapitel3 KalibrierungdesDetektors DieMessungmitdemCOSY-TOF-SpektrometerbeinhaltetdieAufzeichnugdesEnergiedepositsderimSzintillatormaterialnachgewiesenenTeilchen(Pulshohen)undinsbesonderederenFlugzeit. Wert5mmschwankt.MitdiesergeringenMassenbelegungwirdeineFlugzeitauosung DasCOSY-TOF-Spektrometeristkonzipiertworden,umdieReaktionsteilchen,trotz vonbiszu200pserreicht(s.abb.3.1,3.5).dieeinzelnenkalibrierungsschrittewerden detektorsegmentelediglich0,5mm,wahrenddiequirlszintillatordickeum20%umden derennachweises,moglichstwenigzustoren.daherbetragtdiedickederaktivenstart- 3.1 imfolgendendargestellt. IndemdasTriggersignalvoneinemPulsgeneratorerzeugtwird,werdenPulshohen aufgenommen,dielediglichdasrauschenderverwendetenelektronik(photomultiplier, Pedestalkorrektur (Pedestal)mubeiderBetrachtungderPulshohenabgezogenwerden. Base,aktiverSplitdesDiskriminators,QDCs)wiederspiegeln.DiesersobestimmteOset 3.2 DieBenutzungderZEL-DiskriminatorennachdemLeadingEdge-VerfahrengemaAbb. 3.2machtesunabdingbar,dieZeitinformationinallenStart-undStoppzweigenbezuglich Walkkorrektur verfalschtdiezeitmessungumbiszu3ns. ihrerpulshoheamdiskriminatoreingangzukorrigieren.dieseabhangigkeit(engl:walk) Quirls,desStartdetektorsundderElastischenZahlereingespeist.LediglichdasReferenzsignaldesLaserswurdevoneinemConstantFraction-Diskriminatorverarbeitet.Dieses UmdiesenEektzukorrigieren(Walkkorrektur),wurdenmitHilfedesaufS.34dargestelltenLaserkalibrierungssystemsPulseunterschiedlicherIntensitatinalleKanaledes Pulshohenbereichzuuntersuchen,wurdedieLaserintensitatmitdemFiltersystem(s. Abb.2.17,2.18)verandert.AndiegewonneneInformationuberdieAbhangigkeitder SignaldienteallenKanalenalsCommon-Stop.UmdengesamteninFragekommenden 36

39 3.2.WALKKORREKTUR 37 Abbildung3.1:AusderZeitdierenzbildungzwischeneinemQuirlpixelunddemStartdetektorgewonneneTDC-Spektren.Obenlinksbendetsichdasausallenubrigen(Qg, Ql,Qr)gemittelteTDC-Spektrum.DieerreichteZeitauosungbetragt=196ps.

40 38 KAPITEL3.KALIBRIERUNGDESDETEKTORS U Walk t VerfahrenundVerdeutlichungdesBegrisWalk nachdemleadingedge- DiskriminierungderSignale Abbildung3.2: ZEL Diskriminator kleiner Puls Schwelle großer Puls SignallaufzeitundQDCdiePulshohesymbolisierenunddieKonstantena,bundckanalspezischsind.DasErgebnisderWalkmessungsowiedieangettetenFunktionensind bzw.diefunktiontdc=c+a=(b+qdc)(2.strahlzeit)angepat,wobeitdcdie ZeitmessungvonderPulshohewurdenproKanaleinPolynom4.Grades(1.Strahlzeit) exemplarischinabb.3.3dargestellt.dieauswertungundanschlieendesanpassenvon DieErgebnissestehenjedemKollaborationspartnerimInternetzurVerfugung. entsprechendentdc-werteszutdc. turwertergibtsichausderdierenzbildungvontdcmaxunddesdemqdc-eintrag KurvenistweitgehendautomatisiertunderfolgtfurjedeeinzelneStrahlzeit.DerKorrek- 3.3 DieperJumpereingestellteSollkanalauosungderbenutztenTDCsbetragt100ps/Kanal. AuftretendeAbweichungendereinzelnenKanalewurdenmitHilfedesZeitkalibrators TDC-Kanalbreiten ORTEC(EG&G)462bestimmt.DasORTEC-ModulliefertStoppsignale,diewillkurlich, zu10%vondersollkanalbreitebestimmtwerden.diekorrekturwertebin(i)einesjeden aberinfesterkorrelationzumstartsignal,imvielfachenvon10nszueinanderverzogert KanalsikonnenebenfallsuberdasInternetbezogenwerden. mungderkanalbreiteherangezogenwerden.aufdieseweisekonntenabweichungenbis liegen.diesbewirkt,daimspektrumbiszuzehnliniensichtbarsind,diezurbestim- 3.4 DiezwischendemStart-undStoppdetektorgemesseneZeitdierenzsetztsichausder ProjektilugzeitunddeneinzelnenDetektorlichtlaufzeitenzusammen.DieLichtlaufzeit Lichtlaufzeit ineinemjedendetektormudahergenaubekanntsein. Internetadresse: dresden:de

41 3.4.LICHTLAUFZEIT 39 Abbildung3.3:TypischerVerlauf exemplarischfurdiekanale0,40 dertdc-qdc-abhangigkeit(walk) und80desstoppdetektors.derjew- 3.6)sinddieTDC-Spektreninvertiert. ichnugtdcmax.verursachtdurch dencommon-stop-memodus(s.kap. eilsgrotetdc-werterhaltdiebeze-

42 KAPITEL3.KALIBRIERUNGDESDETEKTORS Wertvon176mm=ns,sodamitdemQuirlradiusrmax=580mmfolgenderAusdruck furdielichtlaufzeittllfolgte: [ROH95,ROH96].InsbesondereergabsichfurdiegeradenQuirlelementederkonstante DieLichtlaufzeitindenQuirlszintillatorenwarObjekteingehenderUntersuchungenin t ll=580mm r Startdetektor 176mm=ns+const: dehnungschwierig.daherwurdedieselichtlaufzeitaufgrunddergleichenbauweise ("Tortenstucke\)dergeradenQuirl-undStartszintillatorenauf176mm=nsgesetzt. FernersinddieRingeAundBdesStartdetektorsunterschiedlichstarkgeneigt(A;B:A: DieMessungderLichtlaufzeitindenStartszintillatorenistwegenderenkleinenAus- werdenmu.mitdembekannten(ausdemmitdemquirlermittelten)polarwinkel#, 80,B:67,s.Abb.2.9),wasbeiderBestimmungderLichtlaufzeitinBetrachtgezogen Abbildung) derdeneinschlagortdesejektilsauchimstartdetektorbestimmt,ergibtsichanalogzum StoppdetektorderAusdruckfurdieLichtlaufzeitimStartdetektor(s.darunterstehende tll=sa;b+aa;b sina;b 176mm=ns cot#+cosa;b da;b mit +const; B(ungerade)=66;55; B(gerade)=67;45; A=80; db(ungerade)=21mm; db(gerade)=19mm; da=39;1mm; ab(ungerade)=6;93mm; ab(gerade)=8;91mm; aa=1;02mm(1;25mm)fur1:(2:)strahlzeit; sb=55;36mm;hohederbringsegmente: sa=20;73mm;hohederaringsegmente; Target Start szintillator A bzw. B ϑ d l θ s Teilchen a

43 3.5.ZEITLICHERABGLEICHDERDETEKTORKOMPONENTEN 3.5 ZeitlicherAbgleichderDetektorkomponenten41 AufGrundunterschiedlicherBedingungenfurjedenKanaldesTOFs(Durchlaufzeiten DeswegenwerdenimerstenSchrittdieStartdetektorelementeuntereinanderzeitlich Osets)mussendieNullpunkteallerZeitspektreneinzelnbestimmtwerden;dieDierenzenbetragenbiszu5ns. imphotomultiplier,unterschiedlichediskriminatorkanale,delayy-schwankungen,tdcgrundsatzlichzwischenein-undzweispurereignissenunterschiedenwerden. abgeglichen,undimzweitenschrittwerdendiequirlelemente(stopp)bzgl.einer bekanntenphysikalischenreaktionzeitlichpassenddaraufabgestimmt.dabeimu lassen)bietendiemoglichkeit,diestartdetektorelementeuntereinanderabzugleichenz NurZweispurereignisse(zweiderReaktionspartnerhabenimQuirleineSignaturhinter- Startsignalen(Ts1,Ts2)unddemCommon-StopSignalaufgenommenwerden.Ausderen Diesfuhrtdazu,daindiejeweiligenTDC-SpektrenKonversionenzwischendenbeiden StartdetektorsignalderFast-Oder-StufedesZEL-Diskriminatorsverwendet(CS=CS2). WieinAbb3.4untendargestellt,wirdalsCommon-Stop-Signal(CS)dasschnellste undpp!pp(2.strahlzeit)reaktionenbetrachtet.mitdiesermethodelatsichein DierenzbildunglatsichdemnachTermitteln.ZudiesemZweckwurdenimersten ZeitabgleichderStartkomponentenuntereinanderbisauf=234pserreichen(Abb.3.5). KalibrierungsschrittZweispurereignissederpp!d+(1.Strahlzeit)bzw.pp!pp DieSituationbeiBetrachtungderEinspurereignisse(stammendausderpp!ppel- Reaktion,vonderaufGrundderDetektorakzeptanznureineSpurimQuirlnachgewiesen nalederstartdetektorelementeuntereinander(abb.3.4oben).diegroeereignisanzahl werdenkonnte)isteineganzlichandere:wahrendeinegroeanzahldieserereignisse undsomitderkleinestatistischefehlerbietenaberineinemzweitenschritt{angesichts SpektreneinesjedenSegmenteskeineAussageuberdierelativeLageTderZeitsig- einengeringenstatistischenfehlerverspricht,erlaubendieaufgenommenentdcaufeinanderzeitlichabzugleichen,indemdiezeitdierenzenzumimerstenschrittop- Internetverfugbar. derrelativgroenanzahlvonquirlszintillatoren{diemoglichkeit,diequirlsegmente timiertenstartdetektorbetrachtetwerden.diekorrekturwertekorr(i)sinduberdas pen.dieseruberlappbereichistjedochgering,sodameistnichtgenugendereignissezurverfugung dunglangerkabel,bezeichnet zeinezweitemoglichkeiterwachstausdertatsache,dadieeinzelnenstartdetektorelementeuberlap- ymit"delay\(deutsch:verzogerung)wirdeineverzogerungdersignallaufzeiten,meistdurchverwen- stehenundderstatistischefehlerbeiverwendungdiesermethodegroist.

44 42 KAPITEL3.KALIBRIERUNGDESDETEKTORS Ts1 CS1 Ts2 CS2 T TDC1 TDC2 Ts1 Ts2 CS1 CS2 CS=CS2 Abbildung3.4:ZeitmessungimFallevon:zweiEinspurereignissen(oben)und TDC1 einemzweispurereignis(unten) T TDC2

45 3.5.ZEITLICHERABGLEICHDERDETEKTORKOMPONENTEN 43 Abbildung3.5:ZeitlicherAbgleichderStartdetektorkomponentenamBeispielder 2.Strahlzeit(derdarinsichtbare,durchzufalligeKoinzidenzenentstandeneUntergrund istbeinachfolgendenbetrachtungenverworfenworden) FurjedenderzeitbestimmendenDetektorelementedesTOFs(Quirl,RingA,RingB) istbisherderbegridergleichzeitigkeitbisaufeinekonstantedeniertworden.die Zeitabgleich sungenmitdemstartdetektorundmitdemquirlzueinanderinkorrelationsetzen.die durchbenutzungderstart-undstoppdetektorengewonnenezeitinformationunterscheidetsichnochvonderlichtlauf-undflugzeitinformationdurcheinendelay-bedingten, LagederElastischenZahlerdeniertimFallderelastischenProtonenstreuungeinen bestimmtenkinematischenzustandmitbekanntem.durchanderungdeszeitlichen willkurlichenoset(offset).mithilfederelastischenzahlerlassensichdiezeitmes- OFFSETszwischendemQuirlunddenRingenAundBwirddasveriziert.