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

Weick, Helmut


pdf-Format: Dokument 1.pdf (3.803 KB)

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.01.1970
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 24.10.2000
Kurzfassung auf Deutsch: 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 B - E - B Prinzip arbeitet, vor allem durch die Streuung des Energieverlustes in
Materie bestimmt.
Kurzfassung auf Englisch: 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 B - E - B
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).