Einfluss der Umladung beim Abbremsen von Schwerionen im Energiebereich (100-1000)MeV/u

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde der Energieverlust und die Umladung relativistischer Bismut-, Blei- und Goldionen in Materie im Bereich von 100 MeV/u bis 1000 MeV/u untersucht. Die Experimente wurden mit dem Magnetspektrometer FRS der Gesellschaft für Schwerionenforschung durchgeführt. In mehreren Strahlzeiten wurden atomare Umladungsquerschnitte, Gleichgewichtsladungsverteilungen, Stopping-Power-Werte und die Energieverluststreuung in Festkörpern gemessen. Dazu wurde der FRS in verschiedenen ionenoptischen Einstellungen eingesetzt und die genannten atomaren Wechselwirkungen in unterschiedlichen Materialien von Beryllium bis Blei (Z = 4 - 82) untersucht.

Ein Hauptziel war die Ladungsabhängigkeit der Stopping-Power präzise zu vermessen. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass mit einem Modell basierend auf der genauen Kenntnis der Ladungsverteilung in Kombination mit der LS-Theorie [1] die Beschreibung der Stopping-Power mit einer Genauigkeit von 1% möglich ist [2].

Da somit die Energieverluste auf einer sicheren Grundlage stehen und die Umladungsquerschnitte aus Theorie und den durchgeführten Messungen hinreichend gut bekannt waren, war es zum ersten Mal möglich, genau zwischen den Beiträgen des Umladungs-Straggling und des Kollisions-Straggling zur Energieverluststreuung zu unterscheiden. Dabei stellte sich heraus, dass das Umladungs-Straggling in Targetmaterialien mit niedriger Ordnungszahl zu einer drastischen Verbreiterung der Energieverteilung führt [3].

Die experimentellen Ergebnisse zum Umladungs-Straggling konnten auch mit einem Simulationsprogramm bestätigt werden. Diese Rechnungen erlauben zusätzlich Rückschlüsse auf die Rolle der unvollständigen Abschirmung der Projektile in nahen Stößen. Eine solche Untersuchung ist für Schwerionen ein neuer Zugang, da mit dem Umladungs-Straggling direkt die Differenzen der partiellen Stopping-Power gemessen werden. Somit liefert diese Analyse die Bausteine für eine notwendige Erweiterung der LS-Theorie.

Die Genauigkeit der Messungen erlaubt sogar das dritte statistische Moment der Energieverlustverteilung zu bestimmen. Die dabei erstmals festgestellte Asymmetrie durch das Umladungs-Straggling basiert auf den großen freien Weglängen im untersuchten Energie- und Targetbereich.

Die neuen Resultate aus dieser Arbeit zur atomaren Wechselwirkung von relativistischen Schwerionen haben direkte Anwendung bei der Separation von exotischen Nukliden, die durch Fragmentation oder Spaltung im Flug erzeugt werden. Wie in dieser Arbeit gezeigt wurde, ist die Auflösung eines Separators, der nach dem Bρ-ΔE-Bρ Prinzip arbeitet, vor allem durch die Streuung des Energieverlustes in Materie bestimmt.

Die Energieverluststreuung bestimmt die Reichweiteverteilung beim Abstoppen der Fragmente. Eine Kombination von dispersiven Spektrometerstufen und geformten Degradern ermöglicht eine Reichweitefokussierung und ist deshalb wesentlich für neue Entwicklungen auf dem Feld der Experimente mit Strahlen exotischer Kerne. Diese neuen Anwendungen werden beispielsweise Bestandteile der neuen Anlagen in den USA (RIA), Japan (RIKEN) und an der GSI (SUPER-FRS) sein.

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Summary

In this thesis the energy loss and charge exchange of relativistic gold, lead, and bismuth ions in matter was studied in the range from 100 MeV/u to 1000 MeV/u.

The investigations were performed using the magnetic spectrometer FRS at GSI. In several experimental runs the atomic charge-changing cross sections, equilibrium charge state distributions, stopping-power values, and energy-loss straggling in solids were measured. For this purpose the FRS was operated in different ion-optical modes and the atomic interactions were investigated in various materials ranging from beryllium to lead (Z = 4 - 82).

One main goal was to precisely determine the charge dependence of the stopping power. As it could be shown for the first time, a model based on the accurate knowledge of the charge state distribution in combination with the LS theory [1]. can describe the stopping power within an accuracy of 1% [2].

Thus the energy loss is on a solid basis and the charge-changing cross sections are known sufficiently well from theory and the conducted experiments. Therefore, it was possible for the first time to distinguish precisely between the contributions from charge-exchange straggling and collisional straggling to the variation of the energy loss. As a result we found a drastic enhancement due to charge-exchange straggling in target materials with low atomic number [3].

The experimental results on charge-exchange straggling could also be confirmed by a simulation program. In addition these calculations allow to draw a conclusion on the role of incomplete screening of the projectile in close collisions. Such investigations offer a new approach for heavy ions since with charge-exchange straggling one can measure directly the differences in the partial stopping powers. In this way the analysis opens the path for a necessary expansion of the LS theory.

The accuracy of the measurements even allows to study the third statistical moment of the energy-loss distribution. The skewness due to charge-exchange straggling is caused by the large free path length in the energy and target domain investigated and was also observed for the first time.

The new results on the atomic interaction of relativistic heavy ions from this thesis have a direct application in separating exotic nuclei produced by fragmentation or fission in flight. As has been shown in this thesis, the resolution of a separator operating by the Bρ-ΔE-Bρ method is mainly governed by the variation of the energy loss in matter.

The energy-loss straggling also determines the range distribution of stopped fragments. A combination of dispersive spectrometer stages with shaped degraders allows a range bunching. Therefore, this will be essential for new developments on the field of experiments with exotic nuclear beams. For instance, these new applications will be part of the new facilities in the USA (RIA), Japan (RIKEN) and at GSI (SUPER-FRS).

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• [1] J. Lindhard and A.H. Soerensen,
  Phys. Rev. A 53 (1996) 2443.

• [2] H. Weick, H. Geissel, C. Scheidenberger, et al.,
  Nucl. Instr. and Methods B 164/165 (2000) 168.
  

• [3] H. Weick, H. Geissel, C. Scheidenberger, et al.,
  Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 2725.