Hochfrequenzregelung am supraleitenden Elektronenbeschleuniger
Final Report Abstract
Neuartige, am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC durchgeführte und durchzuführende Experimente zur kernphysikalischen und quantenphysikalischen Grundlagenforschung stellen hohe Anforderungen an die Qualität des Elektronenstrahls. Das Forschungsgroßgerät „Hochfrequenzregelung am supraleitenden Elektronenbeschleuniger S-DALINAC“ umfasst zum Erreichen dieser Zielsetzung die Entwicklung und den Aufbau einer digitalen Hochfrequenzregelung, mit der die Energieschärfe (dE/E) des Elektronenstrahls sowie die Optimierung der weiteren Elektronenstrahlparameter auf die Anforderungen des jeweiligen Experiments deutlich verbessert werden konnte. Die hohe Stabilität der mit den bewilligten Mitteln beschafften Hochfrequenzregelung des S-DALINAC ermöglichte es, diese Experimente über mehrere Wochen Strahlzeit unter gleichbleibenden Bedingungen durchführen zu können. Drei durchgeführte Forschungsprojekte sollen hier exemplarisch vorgestellt werden: Als Teil einer systematischen Untersuchung der so genannten Pygmy-Dipol-Resonanz (PDR) wurden Atomkerne von Chrom- und Titanisotopen mit Kernmassenzahlen im Bereich von A=50 vermessen. Die bildliche Vorstellung, welche mit der PDR gemeinhin assoziiert wird, ist die Schwingung einer Neutronenhaut gegenüber einem davon eingeschlossenen Proton-Neutron-gesättigtem Kern. Für die Kernstrukturphysik ist die Untersuchung dieser Resonanz von großem Interesse, da Anregungen über viele Schalen hinweg stattfinden. Ebenso können solche Messungen zur genaueren Bestimmung der Zustandsgleichung von Kernmaterie herangezogen werden. Diese wird zum Beispiel in der Astrophysik zur Beschreibung von Neutronensternen benötigt. Tatsächlich sind die mikroskopischen Phänomene, welche der PDR zugrunde liegen, jedoch noch nicht gänzlich verstanden. Nachdem am S-DALINAC in der Vergangenheit bereits Untersuchungen an 52Cr durchgeführt worden waren, wurden weitere Chrom-Isotope (50Cr und 54Cr) untersucht. Aus der Systematik früherer Ergebnisse war in diesem Massenbereich das erstmalige Auftreten der PDR zu erwarten. Unsere Experimente zeigen, dass die PDR ein Schaleneffekt ist, da die Anregungsstärke oberhalb des N=28-Schalenabschlusses diejenige unterhalb des Schalenabschlusses erheblich übersteigt. Ein weiterer am S‑DALINAC untersuchter Aspekt der Kernstrukturphysik ist die unterschiedliche Konfiguration und damit Gestalt eines Kerns aufgrund von Anregungen. Aufgrund der quantenmechanischen Natur, welche bei subatomaren Strukturen zutage tritt, können Atomkerne sogar gleichzeitig in unterschiedlichen Konfigurationen angeregt sein und somit auch Überlagerungen verschiedener äußerer Gestalten aufweisen. Verschiedene Formen dieses Phänomens resultieren in unterschiedlich starker Ausprägung dieser Überlagerungen verschiedener Gestalten. Während in der Vergangenheit vorwiegend die Abhängigkeit der geometrischen Gestalt von der Anzahl von Protonen und Neutronen beschrieben wurde, wird in jüngerer Literatur die Abhängigkeit der Deformation eines einzelnen Kerns von der Anregung diskutiert. Die Effekte der Kernkraft, welche für die Verformung verantwortlich ist, werden hierbei verstärkt, da nicht nur die angeregten Nukleonen selbst beitragen, sondern auch die dadurch an anderer Stelle entstehenden Schalenlücken. Dieses Phänomen wird als type-II shell evolution bezeichnet und wurde am S‑DALINAC durch ein Elektronenstreu-Experiment am Kern des 96Zr untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich die Gestalt des ersten angeregten Quantenzustands dieses Nuklids von der des Grundzustands tatsächlich unterscheidet. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sowohl der Grundzustand als auch die betrachteten angeregten Zustände nur schwach mit anderen Zuständen vermischt auftreten. Somit kann den Zuständen jeweils eine klar bestimmte Gestalt zugeordnet werden. Die hohe Stabilität und exzellente Energieauflösung des Elektronenstrahls ermöglichten die Extraktion des für diesen Nachweis relevanten Signals aus den Daten des durchgeführten Elektronenstreu-Experiments. Ebenfalls Gegenstand von Untersuchungen am S‑DALINAC waren Signaturen für Kernformen und Formphasenübergänge. Verschiedene Kernformen (z.B. rund, axial oder triaxial deformiert) können in den zugrundeliegenden mathematischen Modellen verschiedenen Symmetrien zugeordnet werden. Es ist von großem Interesse, inwieweit sich diese einfachen mathematischen Beschreibungen auf die verschiedenen Regionen der Nuklidkarte anwenden lassen. Am S-DALINAC wurden in diesem Zusammenhang Versuche am Element Neodym durchgeführt. Die Isotopenreihe des Neodyms zeigt mit zunehmender Neutronenzahl eine Entwicklung von sphärischen Kernen (z.B. 142Nd) zu axial deformierten Rotationskernen (z.B. 152Nd). Diese Entwicklung sollte theoretischen Modellen zufolge als sprunghafter Phasenübergang in Erscheinung treten. Als wahrscheinlicher Kandidat für das Auftreten dieses Phasenübergangs galt das Isotop 150Nd. Am 169°-Spektrometer wurden daher Messungen an eben diesem Nuklid vorgenommen. Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Analyse waren auch bei diesem Experiment die hohe Stabilität und Energieauflösung des Elektronenstrahls.
Publications
- "B(E2) strength ratio of one-phonon 2+ states of 94Zr from electron scattering at low momentum transfer". Phys. Rev. C 89, 037301 (2014)
Scheikh Obeid, A. et al.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevC.89.037301) - "Direct determination of groundstate transition widths of low-lying dipole states in 140Ce with the self-absorption technique". Phys. Lett. B 744, 369 (2015)
Romig, C. et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.physletb.2015.04.013) - „Implementation of a High Level Phase Controller for the Superconducting Injector of the S-Dalinac“, Proc. of IPAC2015
Bahlo, T. et al.
(See online at https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2015-MOPHA019) - "High precision electron scattering off 96Zr".J. Phys.: Conf. Series 724, 012025 (2016)
Kremer, C. et al.
(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/724/1/012025) - "Longitudinal Dispersion Measurements at the S-DALINAC Using RF Monitors.", Proc. of DITANET Conference 2016
Hug, F., et al.
(See online at https://doi.org/10.13140/2.1.3943.4563) - "Nuclear Resonance Fluorescence off 54Cr: The Onset of the Pygmy Dipole Resonance". J. Phys.: Conf. Series 724, 012040 (2016)
Ries, P.C. et al.
(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/724/1/012040) - „Beam Break-Up Measurements at the Recirculating Electron Accelerator S-Dalinac“, Proc. of IPAC2016
Kürzeder, Thorsten, et al.
(See online at https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2016-TUPOR025) - „First Measurement of Collectivity of Coexisting Shapes Based on Type II Shell Evolution: The Case of 96Zr“ in Physical Review Letters. 117.17 (2016): 172503
Kremer, C., et al.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.172503) - „Magnetic dipole excitations of 50Cr“. The Physical Review C 93, 014318 (2016)
Pai, H., et al.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevC.93.014318) - „Phase and Energy Stabilization System at the S-Dalinac“ Proc. of IBIC2016
Bahlo, T., et al.
(See online at https://doi.org/10.18429/JACoW-IBIC2016-WEPG10)
