Jahresbericht 2011-2012 / Institut für Angewandte Physik, Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt am Main

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Jahresbericht 2011-2012

Institut für Angewandte Physik

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Liebe Mitglieder und Freunde des Instituts für Angewandte Physik,

der vorliegende Jahresbericht des Instituts für Angewandte Physik fasst die Forschungs- und Lehraktivitäten der Astrophysik, Beschleuigerphysik und Plasmaphysik in den Jahren 2011 und 2012 zusammen.

In Kapitel 2 wird eindrucksvoll dargestellt, was in den verschiedenen Arbeitsgruppen des Institutes erreicht wurde. Als wichtiges verbindendes Element, das in der nahen Zukunft enorm an Bedeutung gewinnen wird, zeichnet sich jetzt schon die im Bau befindliche Neutronenquelle FRANZ ab.

Die Erfolge der Forschung in nackten Zahlen sind in den Kapiteln 3, 5 und 6 zu finden. In Kapitel 4 wird dargelegt, wie aktiv wir unserer zweiten wichtigen Aufgabe – der Lehre – nachkommen.

In den abschließenden Kapiteln ist neben einem Abriß über die wichtigsten Ereignisse der vergangenen 2 Jahre auch dargelegt, wie unser Institut in die internationale Wissenschaftslandschaft integriert ist.

Vor uns liegen große Herausforderungen aber auch fantastische Möglichkeiten – erstere gilt es gemeinsam zu meistern, letztere mit Elan auszuschöpfen. Insbesondere die Umstellung des Landeshaushaltes auf Globalbudget verbunden mit einer allgemeinen Mittelkürzung gilt es in den kommenden Jahren nachhaltig umzusetzen.

Wir freuen uns auf eine gute Zusammenarbeit, spannende Fragen und großartige Entdeckungen.

Prof. Dr. René Reifarth Prof. Dr. Ulrich Ratzinger

(Geschäftsführender Direktor) (Stellvertretender geschäftsführender Direktor)

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Inhalt

1. Mitarbeiter ... 7

1.1. Geschäftsführung ... 7

1.2. Professoren ... 7

1.3. Nachwuchsgruppenleiter ... 7

1.4. Wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktoranden ... 7

1.5. Administrativ-Technische Mitarbeiter ... 8

1.6. Studenten ... 8

1.7. Gäste und ehemalige, aktive Mitarbeiter ... 9

2. Projektbeschreibungen ... 10

2.1. AG Jacoby ... 10

2.1.1. Plasmastripper ... 10

2.1.2. Entwicklung eines koaxialen Hochstromschalters ... 12

2.1.3. Untersuchung von kollidierenden Plasmen basierend auf koaxialen Beschleunigerstrukturen ... 14

2.1.4. Entwicklung einer Kapilardüse zur Erzeugung eines Überschalltargets ... 16

2.2. AG Kester ... 18

2.2.1. Strahldiagnose und Strahltransport ... 18

2.2.2. Synchrotrone ... 21

2.2.3. Elektronenstrahlen ... 23

2.2.4. Laserbeschleunigung ... 25

2.3. AG Podlech ... 26

2.3.1. Supraleitende Resonatorentwicklung ... 26

2.3.2. MYRRHA ... 27

2.4. AG Ratzinger ... 29

2.4.1. Normalleitende Strukturentwicklung und Projekte ... 29

2.4.2. Ionenquellenentwicklung ... 30

2.4.3. Strahldynamik ... 31

2.4.4. Hochstromspeicherring ... 32

2.4.5. Gabor-Plasmalinse ... 34

2.4.6. Frankfurter Neutronenquelle – FRANZ ... 34

2.5. AG Reifarth ... 36

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2.5.1. Experimente und Entwicklungen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.. 36

2.5.2. Experimente an anderen Großforschungslabors ... 39

2.5.3. Experimente an kleineren Anlagen ... 40

2.5.4. Entwicklungen für FRANZ ... 41

2.5.5. Simulationen astrophysikalischer Szenarien ... 41

2.6. AG Schempp ... 42

2.6.1. Funneling ... 42

2.6.2. CW-RFQ Prototyp ... 43

2.6.3. 325 MHz Prototyp ... 44

2.6.4. MedAustron RFQ ... 44

2.6.5. RFQ Tuning ... 45

2.6.6. FNAL RFQ ... 45

2.6.7. GSI 36 MHz Buncher ... 46

2.7. Feinmechanische Werkstatt ... 47

2.7.1. Aktivitäten im Jahr 2011 ... 47

2.7.2. Aktivitäten im Jahr 2012 ... 49

3. Lehrveranstaltungen ... 53

3.1. WiSe 2010/2011 ... 53

3.2. SoSe 2011 ... 54

3.3. WiSe 2011/2012 ... 55

3.4. SoSe 2012 ... 56

4. Abgeschlossene Arbeiten ... 57

4.1. Doktorarbeiten ... 57

4.2. Diplomarbeiten ... 57

4.3. Masterabeiten ... 58

4.4. Bachelorarbeiten ... 58

5. Forschungsprojekte und Kooperationen ... 62

6. Veröffentlichungen ... 64

6.1. Begutachtete Zeitschriften ... 64

6.1.1. Jahr 2011 ... 64

6.1.2. Jahr 2012 ... 68

6.2. Vorträge und Poster ... 72

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6.2.1. Jahr 2011 ... 72

6.2.2. Jahr 2012 ... 85

7. Besondere Ereignisse ... 98

Nachruf auf Prof. Dr. Horst Klein ... 99

8. Mitarbeit in Fachausschüssen (FA), Fachgruppen (FG) und Gremien ... 101

9. Mitarbeit in nationalen und internationalen Konferenzgremien ... 104

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1. Mitarbeiter

1.1. Geschäftsführung

Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr. René Reifarth Stellvertreter: Prof. Dr. Ulrich Ratzinger

1.2. Professoren

Prof. Dr. Joachim Jacoby Prof. Dr. Oliver Kester Prof. Dr. Holger Podlech Prof. Dr. Ulrich Ratzinger Prof. Dr. René Reifarth

1.3. Nachwuchsgruppenleiter

Dr. Kerstin Sonnabend

1.4. Wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktoranden

Mit Lehrauftrag:

Dr. Martin Droba Dr. Marcus Iberler Dr. Oliver Meusel Dr. Rudolf Tiede Dr. Klaus Volk

Almomani Ali Altstadt Sebastian

Alzubaidi Suha Amberg Michael

Bartz Ulrich Brabetz Christian

Brodhage Robert Busch Marco

Chau Long Phi Chill Frederic

Droba Martin Dziuba Florian

Ershova Olga Fathinejad Behrooz

Fedjuschenko Andreas Geyer Sabrina

Glorius Jan Göbel Kathrin

Gorda Oleksii Gütlich Eiko

Heftrich Tanja Heilmann Manuel

Hinrichs Ole Hock Christian

Iberler Marcus Jacoby Joachim

Kanesue Takeshi Klump Batu

Koubek Benjamin Langer Christoph

Lavrik Vladimir Lederer Claudia

Mäder Dominik Mehler Monika

Meusel Oliver Noll Daniel

Nowottnick Tobias Otto Johanna

Plag Ralf Pohl Moritz

Rastrepina Ganna Reininger Herbert

Rienecker Tim Schäfer Thorsten

Schmidt Janet Schmidt Stefan

Schönlein Andreas Schulte Kathrin

Schweizer Waldemar Tenholt Carmen

Tiede Rudolf Volk Klaus

Vossberg Markus Weigand Mario

Wiechula Jörg Wiesner Christoph

Xiao Chen Xu Ge

Zhang Chuan Zwicker Benjamin

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1.5. Administrativ-Technische Mitarbeiter

Bänsch Daniel Billjött Wolfgang

Binner Edgar Brost Karin

Gössling Ralf Hammer Viktor

Harji Tanja Hergt Astrid

Jaitner Joachim Kreßmann Andreas

Müller Ilja Müller Stephnie

Metz Thomas Reploeg Sven

Rodrian Stefan Schleyer Charlotte

Weitzel Elisabeth

1.6. Studenten

Aktas Sedat Ates Adem

Baschke Markus Basten Markus

Beinrucker Clemens Berger Michael

Blaes Sebastian Bohlender Bernhard

Bonilla Guzman Jerson Boos Eduard

Böttger Sebastian Bouras Alexandros

Brünner Benjamin Claessens Christine

Dietz Myriam Dinter Hannes

Esche Beate Faber Andrej M.

Fiebiger Stefan Fix Christopher

Fries Marko Gaertner Felix

Gerbig Julian Gilbert Max

Glaeser Benjamin Grünsch Kim

Heyn Ronan Kapun Maximilian

Kizilkaya Hüseyin Klaproth Stephan

Koloczek Alexander Koser Daniel

Kräckmann Susanne Krämer Richard

Kümpel Klaus Kutschireiter Arthur

Landwehr Konstantin Langbein Andreas

Lenz Christoph Loisch Gregor

Lotz Marcel Maeder Richard

Manegold Thomas Mikorski Marcus

Müller-Münster Alexander Niebuhr Heiko

Noll Daniel Pade Eric

Payir Onur Pfaff Matthias

Pitroff Max Pürschel Jonathan

Ries Dominique Ritter Christian

Scheible Bernhard Schirmer Jennifer

Schneider Philipp Schwarz Malte

Seibel Anja Slavkovská Zuzana

Thomas Benedikt Thomas Taniya

Till Patricia Ullmann Cathrina

Volknandt Meiko Wagner Christopher

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Wagner Joschka F. Wolski Sandra

Zähter Şêro

1.7. Gäste und ehemalige, aktive Mitarbeiter

Prof. Dr. Horst Klein Prof. Dr. Arild Lacroix Prof. Dr. Alfred Schaarschmidt Apl. Prof. Dr. Alwin Schempp Prof. Dr. Dr.-Ing. E.h. Dietrich Wolf Prof. Phil Woods

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2. Projektbeschreibungen 2.1. AG Jacoby

2.1.1. Plasmastripper

G. Xu, G. Loisch, K. Cistakov, T. Rienecker, J. Wiechula, A. Schönlein, M. Iberler, C. Teske, J. Jacoby

In der Fortführung des BMBF Forschungsprojekts zur Untersuchung eines induktiven, gepulsten Theta- Pinch Plasmas wurde 2011 ein neuer Prototyp aufgebaut, der im Oktober 2012 auch erstmals in einer Strahlzeit an der GSI getestet werden konnte.

Der Aufbau (Abbildung 2) besteht aus einem kugelförmigen, 6000ml fassenden Glasrezipienten, der von einer Induktionsspule, bestehend aus 7 Windungen, umfasst wird. Die Induktivität dieser Spule beträgt dabei 7,2 µH. Der Energiespeicher besteht hier aus 6 Kondensatoren, von denen je 2 seriell und alle Paare dann parallel geschaltet sind. Die Gesamtkapazität beträgt 37,5 µF und die maximale Spannungsfestigkeit 15 kV, womit die maximale Entladungsenergie ca. 8 kJ beträgt. Es ergibt sich für dieses System aus Kapazitäten und der Induktivität eine Resonanzfrequenz von 9,6 kHz. Wie der vorangegangene Prototyp wird die Leistung mit einem in der Arbeitsgruppe Plasmaphysik entwickelten Thyristorstack geschaltet, der während der Entladung einen Strom von bis zu 6 kA trägt. Am Institut für Angewandte Physik wurden zunächst Untersuchungen mit Argon/Wasserstoff und Helium

vorgenommen, um die

Entladungsmechanismen qualitativ und quantitativ nachzuvollziehen. Dabei wurde ein maximaler Leistungsübertrag vom Energiespeicher in das Plasma von 73%

festgestellt. Die gemittelte Elektronendichte beträgt einige 10¹⁷ Elektronen pro Kubikzentimeter.

Abbildung 2: Der Plasmastripper am Experimentierplatz Z6 des UNILAC

Abbildung 1: Übersichtsspektrum des Wasserstoffplasmas

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Für den Einsatz des Plasmastrippers am Beschleuniger wurde ein differentielles Pumpsystem entworfen und in der Werkstatt des IAP angefertigt. Das dreistufige Blendensystem wurde so konzipiert, dass es auf beiden Seiten des Glasrezipienten den Gasdruck im Glasgefäß von bis zu 150 Pa vom Vakuum des Strahlrohrs mit etwa 10^-3 Pa trennt.

Nach erfolgreichen Tests im Labor wurde der Aufbau am 16. Oktober 2012 zum GSI Helmholtzzentrum transportiert, wo es in das Strahlrohr am ZX-Experimentierplatz des UNILAC eingebracht wurde.

Hier wurde das Experiment in reiner Wasserstoffatmosphäre betrieben. In Abbildung 1 ist ein Übersichtsspektrum einer der Messungen gezeigt, in der die Balmer-Serie des Wasserstoffs und ein kontinuierliches Rekombinationsspektrum unterhalb von etwa 380nm zu erkennen ist. Nach einer ersten Bestimmung der Entladungs-charakteristika wurden während der Strahlzeit vom 22. bis 28.

Oktober die ersten Messungen mit Ionenstrahl durchgeführt. Ca10+ Ionen mit einer Strahlenergie von 3,6 MeV/u wurden bei verschiedenen Drücken durch Kaltgas und Plasmen verschiedener Entladungsspannungen geleitet und nach Durchgang durch das Plasma mittels Diamantdetektor, Ladungsseparator und Szintillatoren untersucht.

In Abbildung 3 sind Messdaten, die an der GSI aufgenommen wurden, zu sehen. Im Signal des Diamantdetektors ist die Makrobunchstruktur des Ionenstrahls nach Passieren des Plasmas abgebildet. Anders als beim kontinuierlichen Signal in kaltem Gas findet im Plasma Transmission nur in den Pinch-phasen des Plasmas statt, die durch ein Maximum im Photodioden-signal zu erkennen sind. Es wird zur Zeit diskutiert ob es sich bei der Änderung der Transmission um ionenoptische Effekte handelt, die beispielsweise durch die Verdrängung des Magnetfelds der Spulen bei Anwesenheit eines intensiven Plasmas auf der Strahlachse aufgehoben werden.

Erfolgsversprechend ist unter anderem, dass die Transmission durch das Entladungsplasma um einen Faktor 10 höher erscheint, als die Transmission durch das kalte Gas. Ob dabei eine vergleichbare oder höhere Ladungszustandsänderung erfolgt sollen die messungen der Stopping Power zeigen. Die Auswertung der Daten befindet sich derzeit jedoch noch im Anfangsstadium, es lassen sich bis jetzt nur Abbildung 3: Diamantdetektor- und Photodiodensignal

einer Ionenstrahlmessung bei 10 Pa und 14 kV Entladespannung

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qualitative Aussagen treffen. Für weitere Auswertungen sind noch spektroskopische Messungen zur Bestimmung der zeitaufgelösten Elektronendichte und Plasmatemperatur im reinen Wasserstoffplasma in Vorbereitung.

Vorgesehen ist eine Optimierung des bestehenden Aufbaus, um langfristig weitere Experimente am UNILAC oder an ähnlichen Beschleunigern erfolgversprechend durchführen zu können. Dabei werden zunächst konstruktive Mängel, die sich während der Strahlzeit ergeben haben, verbessert. Aus der Verwertung der ersten Ionenstrahlmessungen könnten darüber hinaus weitere Veränderungen folgen, die eine Optimierung der Plasmaparameter für die Anwendung der niederfrequent, induktiv angeregten gepulsten Plasmen als Plasmastripper ermöglichen.

2.1.2. Entwicklung eines koaxialen Hochstromschalters C. Hock, M. Iberler, J. Jacoby, G. Loisch, A. Schönlein, J. Wiechula

Die Arbeitsgruppe „Plasmaphysik“ am Institut für Angewandte Physik befasst sich seit geraumer Zeit mit der Leistungsimpulstechnik. Mit dem Bau der künftigen Generation neuer Hochenergiebeschleuniger ergeben sich wesentlich höhere Anforderungen an alle Beschleunigerkomponenten. Dies gilt insbesondere für das p-bar-Experiment am neuen FAIR-Komplex der GSI. Hier werden Antiprotonen erzeugt und anschließend mit einen magnetischen Horn fokussiert. Um ein ausreichend starkes Magnetfeld im Horn zu erzeugen, wird ein pulsformendes Netzwerk benötigt, das einen Strompuls mit einem Spitzenstrom von 400 kA und einer Pulslänge von 20 µs liefert. Kernstück eines solchen pulsformenden Netzwerks sind die Hochstromschalter die das Bindeglied zwischen Energiespeicher (Kondensatorbank) und der Last (das Horn) bilden.

Im Zuge einer von HGS-HIRe und HICforFAIR geförderten Doktorarbeit in der Arbeitsgruppe

„Plasmaphysik“ wird daher ein neues Konzept zum Schalten derart hoher Ströme entwickelt.

Die Anforderungen an ein Hochleistungsschaltelement sind ein hoher Ladungstransfer bei gleichzeitig langer Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit bezüglich des Triggerverhaltens. Ein gravierender Nachteil herkömmlicher Hochspannungs-Hochstromschalter ist deren begrenzte Lebensdauer infolge von Erosion des Elektrodenmaterials.

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Abbildung 4: Konzept des Koaxialen-Hochstromschalters

Entwickelt wird nun ein Schaltsystem, mit dessen koaxialer Elektrodenkonfiguration mittels Lorentzkraft eine laufende Entladung erzwungen wird, wodurch die Kontakterosion stark vermindert wird. Um eine hohe Spannungsfestigkeit zu erreichen, wird der Hochspannungsschalter am linken Ast einer, der Paschenkurve ähnlichen, Zündspannungskennlinie betrieben. Die Elektroden des Schalters sind koaxial zueinander angeordnet. Die Zentralelektrode ist hierbei die Hochspannungselektrode. Die äußere Elektrode befindet sich auf Erdpotential. Im Rahmen der Entwicklung des LDS (Lorentz-Drift-Schalter) für unterschiedliche Schaltleistungen wurden bereits Schalterteststände konzipiert, gebaut und eingesetzt.

Um einen höheren Ladungstransfer zu gewährleisten und gleichzeitig die Elektrodenerosion zu vermindern, ist es vorgesehen mehrere dieser koaxialen Schalteinheiten in einer parallelen Anordnung zusammenzufassen (Abbildung 4). Eine zum Auslösen des Schalters benötigte Triggereinheit befindet sich außerhalb der äußeren Elektrode.

Zum grundlegenden Verständnis wurden im Zuge dieser Arbeit zunächst Untersuchungen an einem einzelnen koaxialen System durchgeführt. Um den Einfluss verschiedener Geometrien auf das Schaltverhalten und die Haltespannung zu untersuchen. So konnte etwa gezeigt werden, dass die Zündspannungskennlinie nicht ausschließlich von dem pd-Produkt abhängt, sondern auch von dem Verhältnis des Radius (ri) der Zentralelektrode und des Radius (ra) der Erd-Elektrode bestimmt wird.

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Abbildung 5: Gemessene Durchbruchspannung für verschiedene Elektroden-Geometrien (Rechteck) und korrigierte Zündspannungen (Stern)

In Abbildung 5 sieht man, dass die gemessenen Zündspannungskurven bei unterschiedlichen Radien der Elektroden stark voneinander abweichen. Durch die Korrektur der pd-Werte mit dem empirisch gefundenen Geometriefaktor fallen die Kurven wieder zusammen. So kann durch eine geschickte Wahl der Elektroden der Arbeitspunkt des Schalters, bezüglich des Drucks und der Schlagweite, angepasst werden.

Im weiteren Verlauf wird nun ein erster Prototyp des koaxialen Vier-Elektroden-Schalters, auf Basis der bisherigen Erkenntnisse, aufgebaut, im Haus getestet und optimiert. Danach sind weitere Tests unter Volllast an der GSI geplant.

2.1.3. Untersuchung von kollidierenden Plasmen basierend auf koaxialen Beschleunigerstrukturen

J. Wiechula, C. Hock, M. Iberler, J. Otto, T. Rienecker, A. Schönlein, S. Zähter, J. Jacoby

Untersucht wird die Kollision zweier Plasmaschichten basierend auf gepulsten koaxialen Beschleunigerstrukturen. Die Distanz zwischen den beiden Plasmabeschleunigern beträgt hier 7,5 cm.

Erste Untersuchungen der kollidierenden Plasmaschichten in Bezug auf Dynamik, Geschwindigkeit und Elektronendichte wurden in diesem Jahr durchgeführt. Dabei wurden mit einer schnellen Shutterkamera (minimale Belichtungszeit 2 ns) Bildsequenzen der Ausbreitung der Plasmaschichten aufgenommen, um so eine erste Aussage über die räumliche Symmetrie der beschleunigten Plasmaschichten und der Kollision treffen zu können. Zudem konnte durch gleichzeitiges Messen der Stromkurven an einem Oszilloskop die zeitliche Symmetrie der beschleunigten Plasmaschichten untersucht werden. Mit einem

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Puls und Delay Generator ist es dann möglich, die Zündung des Plasmas zeitlich so zu verschieben, dass beide Plasmaschichten gleichzeitig in der Mitte des Entladungsgefäßes zusammentreffen.

Abbildung 6. zeigt Aufnahmen der zeitlichen Abfolge der beschleunigten Plasmaschichten bei einem Gasdruck von 100 Pa und einer in den Kondensatoren gespeicherten Energie von 216 J. Das zeitliche Delay zwischen den einzelnen Aufnahmen beträgt 1 µs bei einer Belichtungszeit von 15 ns pro Bild.

Abbildung 6: Optische Aufnahmen der Plasmabeschleunigung und Kollision.

Die Geschwindigkeiten der Plasmaschichten wurden mit einem Diodenarray, welches aus drei schnellen Photodioden besteht, bestimmt. Aus diesen Messungen ergibt sich, dass die Plasmaschichten bereits 1.5 µs nach der Zündung eine Entfernung von 1,6 cm außerhalb des Plasmabeschleunigers zurückgelegt haben. Dies führt bei einer effektiven Beschleunigerlänge von 90 mm zu einer mittleren Geschwindigkeit von 70.6 km/sec. Nach dem Austreten der Plasmaschichten aus den Beschleunigern, werden sie vom kalten Arbeitsgas kontinuierlich abgebremst. Kurz vor der Kollision haben die Plasmaschichten eine Geschwindigkeit von ca. 10.5 km/sec. Die Kollisionszeit selbst beträgt etwa 2 µs. Während dieser Zeit entsteht eine sehr helle Kollisionsfront mit einem breiten Emissionsspektrum im sichtbaren, sowie im UV und VUV Bereich. Mit fortschreitender Zeit vermischt sich die Kollisionsfront immer mehr und wird diffus.

Erste spektroskopische Untersuchungen der Elektronendichte, sowie der Elektronentemperatur zeigen, dass es prinzipiell möglich ist durch eine Kollision zweier Plasmen, basierend auf koaxialen Plasmabeschleunigern, diese Plasmaparameter gegenüber dem Einzelfall zu erhöhen. So konnte mit einem UV/VIS Spektrometer gezeigt werden, dass sich das Plasma durch die Kollision in Richtung höherer Ionisationsstufen verschiebt, was auf eine höhere Elektronentemperatur schließen lässt. Zusätzlich wurde mit einem 0,5 Meter Monochromator die Elektronendichte des Plasmas, mithilfe der Verbreiterung der H Linie bestimmt. Abbildung 7 zeigt die H Linie, sowie das Emissionsspektrum von einfach ionisierten Argonionen im Wellenlängenbereich von 478 nm bis 494 nm. Am intensivsten prägt sich hier die Linie bei 488 nm aus, die auch als metastabiler Übergang beim Argonionenlaser bekannt ist.

Aber auch Kupferlinien, hervorgerufen durch Abnutzung der Kupferelektroden, zeigen sich im Spektrum (CuII bei 491 nm).

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480 482 484 486 488 490 492 494

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

CuII 490.97nm

intensity [a.U.]

wavelength [nm]

H 486.13nm ArII 484.78nm ArII 480.6nm

ArII 487.99nm

ArII 493.32nm

Abbildung 7: ArH₂ Spektrum: 478-494 nm; H linie bei 486.13 nm.

Aus der Verbreiterung der H Linie, hervorgerufen durch den Starkeffekt, und unter berücksichtigung des Auftretens einer Dopplerverbreiterung, kann die Elektronendichte bestimmt werden. Erste Vergleiche zu der Elektronendichte eines einzelnen und eines kollidieren Plasmas haben gezeigt, dass sich die Dichte um bis zu einem Faktor vier im Falle einer Kollision erhöht.

2.1.4. Entwicklung einer Kapilardüse zur Erzeugung eines Überschalltargets B. Fathinejad, S. Böttger, O. Meusel, J. Jacoby

Für ein Streuexperiment zwischen Heliumatomen und Heliumionen wird ein Gastarget entwickelt. Das Gastarget wird durch das Anlegen eines Überdrucks in eine Düse erzeugt. Dabei werden die Gas Atome auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, um eine homogene Verteilung zu erzeugen und die innere Wechselwirkung der Gasatome untereinander zu reduzieren. Da die Zufuhr von zuviel Gas in der Diagnosekammer das Vakuum dort zerstören kann, müssen die Düsen, die für die Produktion von Gastargets benutzt werden, einen Düsenausgang in der Größenordnung von wenigen Mikrometer haben.

Für das Experiment wurden Kapillardüsen mit einem Düsenausgang von 10 µm entwickelt (Abbildung 8).

Das durch Überschallströmung erzeugte Gastarget wurde durch Messung des Druckes des Gastargets im Vakuum der Strahlkammer untersucht. Anhand der Druckschwankungen innerhalb des Gastargets konnte

Abbildung 8: (links) Eine der von uns entwickelten Düsen mit einem Düsenausgang von 10 µm (rechts) der Ausgang der Düse.

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die Ausdehnung des Strahls im Vakuum bestimmt werden. Die Ergebnisse wurden mit dem Rayleigh- Pitot Gesetz ausgewertet mit dem Ergebnis, dass eine Gasgeschwindigkeit von bis zu einer 8 fachen Schallgeschwindigkeit mit diesem Aufbau realisierbar wäre. Aufgrund der Wechselwirkung der Gasatome mit der Düsenwand werden bei der Beschleunigung der Atome Verwirbelungen erzeugt. Eine nummerische Simulation der Eigenschaften dieses Gastargets und ein anschließender Vergleich zwischen Simulation und mit den Ergebnissen der noch durchzuführenden Experimente sind die nächsten Ziele dieser Arbeit.

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2.2. AG Kester

Die thematischen Schwerpunkte der Arbeitsgruppe Beschleunigerphysik liegt in den Gebieten Beschleuniger- und Ionenquellenphysik, sowie der Teilchenoptik. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Erzeugung und den Transport von raumladungsbehafteten Strahlen (Ionen und Elektronen) und der Entwicklung von Systemen modernen Schwerionenbeschleuniger. Dies betrifft insbesondere die Themenbereiche Strahldiagnose und Vakuumtechnik. Bezüglich der Forschungsfelder der AG Beschleunigerphysik steht die thematische Ausrichtung auf das FAIR Projekt im Vordergrund.

2.2.1. Strahldiagnose und Strahltransport

Eiko Gütlich, Benjamin Zwicker, Vladimir Lavrik, Chen Xiao, Oleksii Gorda

Leuchtschirme werden seit Jahrzehnten in fast allen Teilchenbeschleunigern der Welt zur qualitativen Einstellung (Positionierung) und Optimierung des Strahls eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Messmethoden, wie zum Beispiel Profilgittern, sind Leuchtschirme ein sehr kosteneffizientes Diagnosesystem für die transversalen Strahleigenschaften und haben darüber hinaus noch eine hohe örtliche Auflösung. Über die quantitativen Abbildungseigenschaften von Leuchtschirmen ist jedoch nur wenig bekannt, speziell im Bereich von intensiven Schwerionenstrahlen. Die Einsatzbedingungen für Szintillatoren am Linearbeschleuniger (UNILAC) der unterscheiden sich deutlich von den Bedingungen bei typischen kernphysikalischen Experimenten. Da bei der Diagnose des primären Ionenstrahls am UNILAC Dosisleistungen von 10⁸ Gy/ms auftreten können sind typische Szintillatoren wie CdWO4 oder YAG hierfür nicht geeignet. Deshalb wurden vor allem strahlungsresistente keramische Materialien wie Aluminiumoxid und verschiedene Zirkonoxide untersucht.

Die Untersuchungen mit Ionen von Kohlenstoff bis Uran im Energiebereich von 4,8 bis 11,4 MeV/u haben gezeigt, dass die Abbildung des Ionenstrahls auf dem Szintillator unter anderem abhängig sein kann von:

der Art des Materials, der Temperatur des Materials, der akkumulierten Fluenz (Ionen/cm²), der Geschwindigkeit der Ionen, sowie dem beobachteten Wellenlängenbereich (UV oder VIS). Die mit keramischem Aluminiumoxid (α-Al2O3, Saphir) gemessenen Ionenstrahlprofile haben die beste Übereinstimmung mit den Referenzmethoden gezeigt. Aus den Messergebnissen wurde für Aluminiumoxid ein Model zur Vorhersage der Abbildung des Ionenstrahls entwickelt. Das Model kann die beobachtetet Effekte beschreiben und war sogar in der Lage Abbildungsfehler durch Sättigungseffekte des Szintillators zu korrigieren. Um das entwickelte Model genauer zu verifizieren, wurden Experimente mit einem definierten Ionenstrahl durchgeführt. Hierzu wurde ein Ionenstrahl von 1 cm² mit eine homogenen Intensitätsverteilung (max. +- 10% Abweichung) erzeugt. Durch Variation der Pulslänge und des Strahlstroms (Intensität) konnte somit die Abhängigkeit der Lichtausbeute pro einfallendem Ion in Abhängigkeit des Flux (Ionen/(cm²*s)) ermittelt werden. Erste, vorläufige, Ergebnisse sind in der Abbildung 9 für Kohlenstoff und Titan bei 11,4 MeV/u zu sehen.

Ein Detektor zur Bestimmung der longitudinalen Ionenverteilung innerhalb eines Bunches des FAIR Protonenlinacs mit einer zeitlichen Auflösung unter 20 ps ist erforderlich, um für den Betrieb Echtzeit- Informationen über den Grad der Anpassung des Strahls an die einzelnen Beschleuniger-komponenten zu bestimmen. Es wird angestrebt für den p-LINAC einen solchen Bunch-Struktur-Monitor zu entwickeln und im GSI UNILAC zu testen. Für den UNILAC wurde als Ausgangsbasis ein BSM-Prototyp bereits entwickelt, dessen Prinzip in Abbildung 10 dargestellt ist. Nach 6 monatiger Arbeit ist es im September 2012 gelungen die erste erfolgreiche Profilmessung seit über 10 Jahren durchzuführen. Starker Untergrund und sehr niedrige Signalpegel haben dies viele Jahre verhindert. Der Prototyp arbeitet mit

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sekundären Elektronen, welche die zeitliche Struktur des Ionenpulses auf einem Phosphorschirm abbilden, ähnlich einer Streak-Kamera. Die Dichteverteilung der Elektronen auf dem Phosphorschirm ist direkt von der longitudinalen Struktur des Bunches. Hierbei entspricht bei aktuellen Messungen ein Bildpunkt einem Zeitintervall von etwa 16,6 ps. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, wie der Untergrund zu reduzieren ist und bisher unbekannten Abbildungsfehler Einfluss nehmen. Durch Simulationen der Trajektorien der Elektronen, unter Berücksichtigung der Raumladung im Strahlrohr, wird eine verlässliche Abschätzung ermöglicht. Soll eine absolute Auflösung unter 20 ps erreicht werden, so ist mit weiteren Simulationen das gewählte Design auf seine Kompatibilität mit dem p-LINAC zu testen und zu verbessern. Zeigen die Simulationen eine Eignung des Designs, so wird ein neuer Prototyp für den p- LINAC gebaut und abschließend im UNILAC getestet.

Abbildung 9: Dargestellt ist die Lichtausbeute (Lichtemission pro Ion) für keramisches Al2O3 in Abhängigkeit von dem Ionen-Flux für verschiedene Pulslängen. Oben sind die

vorläufigen Messergebnisse für Titan- und unten von Kohlenstoffionen mit einer Teilchenenergie von 11,4 MeV/u gezeigt.

Die FAIR Strahlverlustmonitore (beam loss monitors, BLMs) sind Bestandteil eines globalen Systems zum Schutz der supraleitenden Magnete und der Maschinenkomponenten vor Aktivierung. Kommt es zu Strahlverlust, verursachen die verlorenen Ionen Teilchenschauer, die über die BLMs nachgewiesen werden können. Für den Einsatz der BLMs bei FAIR wurden im Rahmen einer Doktorarbeit erste Experimente durchgeführt, die zum einen der Kalibration und zum anderen der Überprüfung der Antwortfunktion eines solchen BLM dienen. Durch den primären Ionenstrahl, der auf ein Kupfer-Target geleitet wurde, konnte ein gemischtes Strahlungsfeld erzeugt werden, welches einen Strahlverlust nachstellt. Als Primärstrahl diente ein Uran-Ionenstrahl mit Teilchenenergien von 300, 600 und 900 MeV/u mit unterschiedlichen Strahlintensitäten. Um die Messergebnisse zu erklären wurden verschiedenen

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Modelle mit dem FLUKA Code simuliert und verglichen und führten zu ersten verlässlichen Daten zu Signalen bei Verlusten von Schwerionenstrahlen..

Abbildung 10: Links: Prinzipieller Aufbau des Bunchstrukturmonitors (BSM). Rechts, oben: Signal auf dem Phosphorschirm in falschfarben. Rechts, unten: Abgeleitetes

Bunchprofil (Projektion).

Zu Erhöhung der Strahlintensität in den Synchrotronen ist eine Verbesserung der Anpassung von Strahlen aus dem UNILAC and das SIS18 erforderlich. Dazu müsste eine Anpassung der Emittanzen in die beiden transversalen Richtungen vorgenommen werden. Die minimale transversale Emittanz, die bei einem Transport in einer Strahllinie erreicht werden kann wird durch die beiden transversalen “Eigenemitanzen”

bestimmt. Sind die beiden transversalen Phasenräume in x- und y-Richtung nicht gekoppelt, dann entsprechen diese den rms-Emittanzen. Eigenemittanzen sind Konstanten der Bewegung für jedes

„symplektische“ Srahlinienelement. Eine Anpassung der Strahlemittanzen vom LINAC an das Synchrotron kann durch sogenannten Emittanzaustausch zwischen den beiden transversalen Richtungen erfolgen. Für einen solchen Emittanztransfer müssen die Eigenemittanzen durch ein nicht-symplektisches Element geändert werden, z.B. durch einen Ladungstripper, der in einem starken Solenoidfeld eingebettet ist.

Dabei muss drauf geachtet werden, dass die 4-D Emittanz erhalten bleibt. Die Strahlemittanzen aus Ionenquellen sind im allgemeinen nicht gekoppelt, die Eigenemitanzen sind dann gleich (round beam).

Der Trick der Emittanzanpassung ist die bei Elektronenmaschinen oft angewandte Methode der „round to flat“ Transformation. An der GSI soll dieses Verfahren am Ladungsstripper ind er Transfersektion zwischen UNILAC und SIS18 getestet werden. Die Modifikation der Strahllinie und des TK-Strippers sind in Arbeit.

Die gepulsten Septummagnete des Collector Rings (CR) bei FAIR werden zur Injektion und Extraktion von Antiprotonen (pbar) oder radioaktiven Ionenstrahlen verwendet. Dabei ist eine Anstiegs- und Abfallzeit von 15 ms und ein “Flat top” von 5ms vorgesehen. Die maximale magnetische Feldstärke für die Injektion und die Extraktion beträgt 0,85 T und 0,91 T. Daraus ergibt sich eine Anstiegsrate von etwa 70 T/s woraus

Profil

verteilung

Projektion Projektion

Phosphorschirm BSM-Skizze

| 1 ns |

|||

||

Bunchprofil

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sich massive Wirbelstromverluste in den leitenden Teilen ergeben. Simulationen mit ANSYS ergaben einen Leistungseintrag von 170 kW in das Injektionsseptum während des Pulses. Da die Antiprotonen, beziehungsweise Ionen alle 1,5 s injiziert werden liegt der mittlere Leistungseintrag bei 7 kW. Dies wiederum würde zu einem Temperaturanstieg des Septums von bis zu 1100 °C führen. Die massive Vakuumkammer des Septums (16 x 14 cm) hat eine Wandstärke von 5mm. Um die Verlustleistung zu reduzieren kann man entweder das Design der Kammer verändern oder längere Pulslängen wählen.

Rechnungen zeigen hier, dass eine ovale Kammer mit 0.3 mm Wandstärke (mit zusätzlichen Spanten zur Versteifung) die Verluste auf akzeptable 0,3 kW reduzieren würde. Da hierdurch jedoch die Akzeptanz verringert werden würde, was zu Strahlverlust führt, ist dies keine mögliche Lösung. Deshalb wird eine rechteckige Kammer verwendet werden und die Anstiegszeiten für das Magnetfeld auf 100 ms erhöht und die Pulslänge darf 400 ms nicht unterschreiten.

2.2.2. Synchrotrone

Frederic Chill, Carmen Tenholt, Marcel Lotz

Unter dem dynamischen Vakuum versteht man den strahlinduzierten Anstieg des Restgasdrucks in Teilchenbeschleunigern. Dieser wird durch stimulierte Desorption frei werdende Restgasteilchen verursacht und muss möglichst von den vorhandenen Vakuumpumpen kompensiert werden. Um diesen Effekt zu beherrschen und Vorhersagen zu treffen wurde der Simulationscode StrahlSim bei GSI entwickelt. Mit dem Simulationsprogramm StrahlSim kann die Entwicklung des Restgasdruckes und dessen Wechselwirkung mit dem Ionenstrahl während eines realistischen Synchrotron-Zyklus berechnet werden. Lokal erhöhte Restgasdrücke können im nächsten Zeitschritt wiederum zu erhöhten Strahlverlusten in den zugehörigen Bereichen führen, was den Druck noch weiter erhöht. Dieser selbstverstärkende Effekt ist ein limitierender Faktor für höhere Strahlintensitäten in Ringbeschleunigern. Um das Intensitäts-Limit zu höheren Teilchenzahlen zu verschieben, werden die kryogenen Oberflächen der Vakuumkammern im geplanten SIS100 als Oberflächenpumpen dienen. Sie sind in der Lage, die meisten Gase entsprechend ihren Dampfdruckkurven bis zu einem ausreichend niedrigen Umgebungsdruck zu binden (Kryokondensation). Eine wichtige Ausnahme bildet der Wasserstoff, dessen Sättigungsdampfdruck bei 4,2 K (Temperatur von flüssigem Helium) mit 6 10^-7 mbar deutlich über dem Wert für einen stabilen Betrieb mit hochintensiven Schwerionenstrahlen liegt. Es ist allerdings bekannt, dass Wasserstoff bei geringer Oberflächenbedeckung der Kroykammern von hinreichend kalten Wänden gepumpt werden kann. Dieser Kryosorption genannte Effekt wird durch zwei Parameter charakterisiert: Der Stickingkoeffizient beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein auftreffendes Gasteilchen an der Wand gebunden wird. Die mittlere Verweildauer beschreibt, wie lange es an der Wand gebunden bleibt. Ersterer bestimmt die von der Wand bereitgestellte Pumpleistung, beide zusammen bestimmen den sich einstellenden Gleichgewichtsdruck. Im Rahmen einer Doktorarbeit werden die Planung und der Aufbau eines UHV-Experiments zur Bestimmung dieser Parameter vorangebracht. Die gewonnenen Ergebnisse werden dann in StrahlSim integriert um die Qualität der Simulation für Maschinen mit kalten Oberflächen zu verbessern.

Bei der FAIR Maschinen sind gepulste Systeme für Injektion, Extraktion oder Strahltransport von entscheidender Bedeutung. Daher sind Entwicklungen von Hochspannungspulssystemen mit enormer Leistung erforderlich. Ein Aspekt betrifft den Hochenergie-Strahltransport zwischen Synchrotronen, die mit sehr geringem Tastverhältnis gefahren werden. Hier bieten sich für die starke Fokussierung kurzgepulste Quadrupolmagnete an. Daher wird im Rahmen einer Doktorarbeit ein Prototypmagnet für

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die Fokussierung des Ionenstrahls im HHT (High Energy, High Temperature Cave) der GSI entwickelt, bei dem der Einsatz für Strahlliniensektionen zwischen Synchrotrons getestet werden soll. Dieser ist ebenso für eine Endfokussierung nach Beschleunigung im SIS100 vorgesehen, welcher im Zuge des neuen FAIR Projektes an der GSI gebaut werden soll. Durch das Beschränken des Einsatzes eines solchen Magneten auf den Zeitraum, zu dem ein Teilchenpacket diesen passiert, soll in hohem Maß Energie gespart werden.

Ein entscheidender Unterschied zu herkömmlichen Magneten ist die Konstruktion der Linse ohne Eisenkern, so dass die Sättigung des Materials umgangen werden kann (Magneteisenkerne erreichen bei ca. 1,8 T ihre Sättigung). Die Quadrupollinse ist also ein Aufbau aus vier Leitern, eine cos (2θ)-Verteilung des Stroms erlauben und ein möglichst perfektes Quadrupolfeld ermöglichen. Die neu entworfene Testlinse soll 600 mm lang werden und mit einem Apertur von 96 mm einen Magnetfeldgradienten von 76 T/m erlangen. Um diesen erreichen zu können, wird ein Strom von 350 kA benötigt, der durch die Entladung jeweils zweier auf ca. 300 µF (bei ca. 14 kV) geladener Kondensatorbänken erzeugt wird. Für unsere Testzwecke sollen die Schalter zwischen Kondensatorbank und Linse möglichst gleichzeitig getriggerte (Überlastungsschutz der einzelnen Schalter) Funkenstrecken sein, welche in späterem Gebrauch idealerweise durch Halbleiterstacks ersetzt werden. Ein weiterer Punkt auf den in zukünftigen Überlegungen geachtet werden muss, ist die Befestigung der Leiter. Durch die sehr hohen Ströme werden nämlich Kräfte von über 100 kN hervorgerufen.

Das Herzstück der FAIR Anlage bildet das Schwerionensynchrotron SIS 100 mit einem Umfang von ca.

1100 Metern. Durch den Einsatz supraleitender Magnete sollen 80% der Strahlführungsstrecke des SIS 100 bei kryogenen Temperaturen betrieben werden. Um den hohen Anforderungen an die Strahlparameter hinsichtlich Strahlenergie und -intensität gerecht zu werden, muss die Restgasteilchendichte in den strahlführenden Vakuumröhren < 3*10⁺¹² m^-³ sein, was unter Tieftemperaturbedingungen einem Druckäquivalent von <5*10^-12 mbar entspricht. Vakuumdynamische Effekte im Strahlbetrieb der Anlage erfordern eine kontinuierliche Drucküberwachung. Während die Druckmessung in den Raumtemperaturbereichen durch konventionelle Glühkathoden-Ionisations- vakuummeter einfach realisiert werden kann, ist der Einsatz solcher Druckmesssensoren in den kryogenen Bereichen mit Problemen verbunden: Zum einen stört der heiße Draht nicht nur das Temperaturgleichgewicht im Rezipienten, er kann zudem in Folge von Aufheizung angrenzender Komponenten die Druckmessung massiv verfälschen. Ferner muss die dissipierte Leistung der Glühkathode abgeführt werden, was einen erhöhten Kühlaufwand zur Folge hat. Daher ist in den kryogenen Ringbereichen der Einsatz eines Druckmesssensors ohne wärmeentwickelnde Glühkathode wünschenswert. Im Rahmen einer Masterarbeit wird die Möglichkeit zur Substitution der Glühkathode eines Extraktorvakuummeters durch einen „kalten“ Emitter untersucht. Dazu wurde eine kommerziell erhältliche Carbon Nano-Tube (CNT)-Kathode verwendet, bei der die Elektronen durch Feldemission extrahiert werden. Diese CNT-Kathode wurde zunächst auf ihre Emissionseigenschaften bei Raum- und Tieftemperaturbedingungen untersucht und anschließend als alternative Elektronenquelle in einen Extraktor integriert. Die grundlegenden Messeigenschaften des modifizierten Vakuummeters, insbesondere unter kryogenen Vakuumbedingungen, sind Gegenstand der Untersuchungen.

23 2.2.3. Elektronenstrahlen

Sabrina Geyer, Dominique Ries und Andreas Langbein

Für die Untersuchung von Elektronen-Ionen Stößen stellen transversale Elektronentargets ein komplementäres Konzept zu den longitudinalen Targets dar. Sie bieten zum einen den Vorteil des Zugangs zur Wechselwirkungsregion unter großen Raumwinkeln für die Spektroskopie von Photonen und Elektronen. Gleichzeitig verspricht das Konzept, einen energetisch scharf definierten Bandstrahl aus freien Elektronen mit einem Ionenstrahl zu kreuzen, eine bessere Energieauflösung als die in Speicherringen üblicherweise installierten internen Gasjet-Targets. Der Einsatz im Zusammenhang mit gespeicherten Ionen erlaubt nicht nur durch die hohen Umlauffrequenzen hohe Luminositäten, sondern ermöglicht darüber hinaus die Untersuchung zeitverzögerter Prozesse. Eine kombinierte Verwendung des transversalen Targets mit weiteren internen Ring-Targets bietet Zugang zu Studien kaskadierter Prozesse. Das im Rahmen einer Doktorarbeit entwickelte Elektronentarget wurde speziell für die hohen Anforderungen von Speicherringen ausgelegt. Das Konzept des Targets basiert auf der Verwendung rein elektrostatischer Felder für die Elektronenstrahl-Fokussierung. Die Target-Geometrie erlaubt eine flexible Einstellung von Elektronenstrom und -energie im Bereich von wenigen 10eV bis zu einigen keV.

Nach erfolgreich abgeschlossenen analytischen Betrachtungen und Simulationen wurde die gewonnene Target-Geometrie (siehe Abbildung 11) in Zusammenarbeit mit der Institutswerkstatt in einem kompakten und modularen Design umgesetzt. Die Teile des Targets befinden sich zurzeit in Fertigung.

Ein eigens für das Target konstruiertes Manipulator-System realisiert die Bestimmung des Überlapps zwischen Ionen- und Elektronenstrahl. Für erste Messungen zur Charakterisierung des Elektronentargets wird in der Experimentierhalle eine Test-Beamline aufgebaut. Der anschließende Einbau in den Frankfurter Low-energy Storage Ring (FLSR) und/oder den zukünftig bei GSI installierten CRYRING sind vorgesehen, um die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Targets bei FAIR zu evaluieren.

Abbildung 11: Links: Aufbau des Elektronentargets. Rechts: Elektronentarget mit Vakuumkammer und Manipulatorsystem.

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Im Rahmen einer Masterarbeit soll die Fokussierstärke des transversalen Elektronentargets ermittelt und seine Auswirkung auf die Strahloptik des kreuzenden Ionenstrahls untersucht werden. Vor allem die Strahloptik im elektrostatischen Speicherrings FLSR (Frankfurt Low Energy Storage Ring) wird dadurch massiv beeinflusst, so dass eine strahloptische Kompensation erfolgen muss Dazu wurden zunächst analytische Rechnungen beruhend auf einfachen optischen Annahmen zur Bestimmung der Fokussierwirkung in Abhängigkeit verschiedener Target-Parameter wie Elektronenenergie, Strahldichte durchgeführt. Entsprechende systematische Untersuchungen anhand von Simulationen werden derzeit mit dem 3 D-Code Amaze durchgeführt. Im Anschluss daran soll das notwendige Retuning des FLSR für einen möglichen Einbau des Targets ermittelt werden. Eine experimentelle Überprüfung der gewonnen Ergebnisse für die Fokussierwirkung des Elektronentargets ist zunächst an einer derzeit im Aufbau befindlichen Test-Strahlline geplant. Ihre strahloptische Auslegung ist ebenfalls Teil der beschriebenen Masterarbeit.

Im Zuge einer Masterarbeit wird eine Crossover Electron Beam Ion Source (XEBIS) entwickelt und aufgebaut. Sie soll in der Testphase eines Elektronentargets als Quelle für hochgeladene Ionen dienen.

Das Prinzip einer EBIS beruht darauf, dass die hochgeladenen Ionen durch sukzessive Elektronenstoßionisation erzeugt werden. Gleichzeitig dient das negative Raumladungspotential des Elektronenstrahls dazu die Ionen radial einzuschließen. Um die Elektronenstromdichte zu erhöhen wird der Strahl üblicherweise mit einem externen Magnetfeld komprimiert. Dadurch wird nicht nur die Reaktionsrate erhöht und damit eine Verkürzung der Ionisationszeiten erreicht, sondern, durch den verringerten Strahldurchmessers, auch die Emittanz des Ionenstrahls deutlich verbessert. Eine XEBIS kommt im Gegensatz dazu vollständig ohne externes Magnetfeld aus. Um dennoch eine entsprechend hohe Elektronenstromdichte zu erhalten, werden die Elektronen elektrostatisch auf einen Punkt (Crossoverpoint) innerhalb des Ionisationsvolumens fokussiert. Es ist so möglich den Aufbau einer EBIS stark zu vereinfachen und dennoch hohe Ladungszustände zu erreichen. Die Simulationen der Strahloptik (Abbildung 12) wurden zu einer kinetischen Elektronenenergie von max. 5 keV durchgeführt. Dabei gibt das Potential der Driftröhre um das Ionisationsvolumen gegenüber der Kathode die Energie vor. Es ist so eine Elektronenstromdichte von etwa 4,5 A/cm² bei ca. 12 mA Strahlstrom zu erwarten. Daraus ergibt sich als theoretische Obergrenze für die erzeugbaren Ladungszustände in erster Abschätzung vollständig ionisiertes Helium, Neon und Argon sowie Kr³²⁺ sowie Xe⁴²⁺. Die erforderlichen Einschlusszeiten sind jedoch entsprechend lang und Ionenverluste durch das Aufheizen mittels Elektronenstöße sind nicht zu vermeiden. Die Planungsphase ist abgeschlossen und die Bauteile der Ionenquelle wurden bereits von der Institutswerkstatt hergestellt. Der passende Vakuumtank und Peripherieteile sind in Auftrag gegeben und sollen Anfang nächsten Jahres fertiggestellt werden, so dass mit dem Aufbau und nachfolgend mit den Messungen begonnen werden kann. Weiterhin ist geplant die Quelle dem Fortgeschrittenenpraktikum des IAP zur Verfügung zu stellen, um den Studenten die Themen Hochladungsionenquellen sowie Strahldiagnose zu vermitteln.

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Abbildung 12: Simulation der XEBIS Elektronenstrahlführung mit EGUN (kinetische e-Energie 3keV).

2.2.4. Laserbeschleunigung Christian Brabetz

Im Rahmen einer Doktorarbeit wurde ein wesentlicher Punkt bei der Erzeugung der Ionenstrahlen durch intensive Laserstrahlung untersucht. Der Einfluss der Laserintensitätsverteilung auf einem Festkörpertarget auf Energie- und Phasenraumverteilung. Dazu wurden in einem ersten Schritt spezielle optische Elemente entworfen und hergestellt. Es konnte dann in einer eigens dafür genutzten Strahlzeit gezeigt werden, das mit Hilfe dieser optischen Elemente, das Laserprofil modifiziert werden kann um zum einen höhere Ionendichten mit größerer maximal Energie als auch kleinerer räumlicher Divergenz erzeugt werden können. Dies soll in einer neuen Strahlzeit weiter untersucht werden. Diese Ergebnisse helfen anderen Projekten (z.B. LIGHT) die Einfangseffizienz zu erhöhen. Für das LIGHT (Laser Ion Generation, Handling and Transport) Projekt wurde die eigens dafür neu entworfene (kurz-puls) 100 TW Laserbeamline fertiggestellt und erfolgreich mit ersten Experimenten betrieben. Es wurde gezeigt, dass dort ausreichend Protonen mit hoher Energie erzeugt und mit Hilfe eines gepulsten Solenoids auf größere Entfernungen fokussiert werden können. Dieser wichtige Schritt zur erfolgreichen Einkopplung in herkömmliche Beschleunigersysteme wird in einem neuen Experiment mit einem Spiralbuncherresonator verbunden, um die Einkopplung laserbeschleunigter Ionen in konventionelle Beschleuniger-Strukturen zu demonstrieren.

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2.3. AG Podlech

2.3.1. Supraleitende Resonatorentwicklung

H. Podlech, S. Aktas, M. Busch, F. Dziuba, M. Fries ,C. Lorey, E. Boos, D. Mäder, I. Müller, D. Bänsch, U.

Ratzinger, M. Amberg, W. Barth, S. Mickat

Nach den erfolgreichen Tests mit dem ersten supraleitenden CH-Prototypen wurde vom BMBF die Konstruktion einer 325 MHz CH-Kavität bewilligt. Es wurden eine Reihe von Änderungen in der Geometrie durchgeführt, die eine weitere Steigerung der erreichbaren Feldstärken erwarten lassen.

Unter anderem wird ein neuartiges Balg-Tunersystem verwendet, welches kapazitiv wirkt. Dadurch konnte der longitudinale Platzbedarf minimiert werden, was insbesondere für die longitudinale Strahldynamik Vorteile bietet.

Die Kavität wurde im Oktober 2012 geliefert und erste Messungen bei Raumtemperatur wurden durchgeführt. Besonderes Augenmerk wurde auf das Erreichen der Frequenz gerichtet. Mittels eines komplexen Tuningverfahrens konnte die Zielfrequenz unter Betriebsbedingungen innerhalb der Bandbreite der Balgtuner erreicht werden. Im nächsten Jahr wird die Kavität mit einem 40 kW Leistungskoppler sowie einem Heliummantel ausgestattet, Abbildung 13.

Abbildung 13: Supraleitende 325 MHz, β=0.16 CH-Kavität und Vergleich zwischen simulierter und gemessener Feldverteilung.

Im Rahmen einer Kollaboration zwischen dem IAP, der GSI und dem Helmholtz Institut Main (HIM) wird der so genannte cw-Linac Demonstrator entwickelt. Dieser besteht aus einer supraleitenden 217 MHz CH-Struktur, einem horizontalen Kryomodul, zwei supraleitenden 9 T Solenoide sowie der dazugehörigen Infrastruktur. Dieser Demonstrator ist die erste Stufe eines möglichen cw betriebenen Schwerionenlinacs, um insbesondere das GSI-Programm zur Erforschung superschwerer Elemente in Zukunft weiterzuführen bzw. zu intensivieren. Es ist geplant, den Demonstrator mit einem vom GSI

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Hochladungsinjektor gelieferten Strahl zu testen. Alle wesentlichen Komponenten befinden sich in der Konstruktionsphase und werden Ende 2013 geliefert, Abbildung 14.

Abbildung 14: Supraleitende 217 MHz CH-Struktur, β=0.059 und horizontales Kryomodul.

2.3.2. MYRRHA

H. Podlech, M. Amberg, M. Busch, F. Dziuba, H. Klein, D. Mäder, U. Ratzinger, A. Schempp, A. Seibel, R.

Tiede, M. Vossberg, C. Zhang

Im Belgischen Mol soll in den nächsten Jahren eine Pilotanlage zur Transmutation radioaktiver Reaktorabfälle entstehen. Die beiden wesentlichen Komponenten dieses MYRRHA genannten Projektes sind ein subkritischer Reaktor und ein 600 MeV Protonenlinac mit einer Strahlleistung von 2.4 MW. Das IAP ist verantwortlich für die Entwicklung des 17 MeV Injektors. Dieser besteht aus einem 1.5 MeV 4-Rod RFQ, zwei normalleitenden und 4 supraleitenden CH-Strukturen, Abbildung 15.

Abbildung 15: Schematisches Layout des 17 MeV-Injektors für MYRRHA.

Im Rahmen des MAX-Projektes (MYRRHA Accelerator Experiment and Development Program) sollen Prototypen getestet und das Design finalisiert werden. In diesem Zusammenhang wurden

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normalleitende cw-betriebene 4-Rod-RFQ- und CH-Kavitäten entwickelt, deren Tests für 2013 vorgesehen sind.

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2.4. AG Ratzinger

2.4.1. Normalleitende Strukturentwicklung und Projekte

R. Brodhage, M. Heilmann, T. Kanesue, C. Zhang, H. Klein, D. Mäder,U. Ratzinger, M. Schwarz, D. Bänsch, IAP Frankfurt, G. Clemente, L. Gröning, W. Barth, GSI Darmstadt

CH – Prototypkavität für den FAIR – Protonenlinac:

Die drei Tankabschnitte der gekoppelten Kavität wurden gefertigt und geliefert. Am IAP wurde der gesamte Resonator zusammengebaut. Dabei wurde zunächst eine aus Aluminium gefertigte modulare Driftröhrenstruktur verwendet, um die endgültige Geometrie dieser Elemente zur Einstellung von Spaltspannungsverteilung und Frequenz zu bestimmen. Die bereits vorgefertigten, endgültig einzuschweißenden Elemente aus Edelstahl wurden nach Abschluss dieser Messungen endbearbeitet und stehen zum Einschweißen bereit. Im Anschluss wird bei GSI verkupfert. Nach erfolgter endgültiger Abstimmung der Kavität kann dann mit den 2.5 MW Hochleistungstests am gerade entstehenden Klystronteststand der GSI begonnen werden.

Abbildung 16: Foto der gekoppelten 13 MV CH – Kavität beim Vermessen der Spannungsverteilung.

FRANZ – IH – Struktur:

Für die 175 MHz IH-Struktur für das FRANZ – Projekt werden gegenwärtig in Zusammenarbeit mit der Industrie alle Komponenten gefertigt.

MedAustron:

Zu der im Aufbau befindlichen Tumortherapieanlage mit Ionenstrahlen in Wiener Neustadt, Niederösterreich, entwickelt IAP einen gegenüber früheren Projekten verbesserten RFQ und einen Zwischentankabschnitt zur Anpassung an den 20 MV IH – Beschleuniger, welcher von Fa. SIEMENS geliefert wird.

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Der Zwischentankabschnitt liefert im Vergleich mit dem Design für HIT Heidelberg mehr transversale und longitudinale Strahlakzeptanz. Der RFQ wird bereits erfolgreich mit Strahl getestet. Alle Komponenten des Zwischentankbereichs stehen zur Endmontage bereit.

2.4.2. Ionenquellenentwicklung

K. Volk, W. Schweizer, D. Bänsch, J. Jaitner, I. Müller, U. Ratzinger

Im Jahr 2011 wurden im Rahmen der Entwicklung der Protonenquellenentwicklung für das FRANZ- Projekt weitere Fortschritte erzielt. So konnte zum Jahresende 2010, im Rahmen einer feierlichen Präsentation im Ionenquellenlabor erstmals am IAP die Extraktion eines Protonenstrahls mit 225 mA H⁺ bei einem Gesamtstrom von 250 mA vorgeführt werden. Der Protonenanteil lag bei 90 %, die Strahlenergie bei 52 keV. Die Frankfurter Protonenquelle hält damit seit 13 Jahren bezüglich des Strahlstromes im Dauerstrichbetrieb den Weltrekord.

Im Laufe des Jahres wurde dann ein so genannter Standzeittest der Ionenquelle durchgeführt. Ziel dieser Untersuchung war es im Rahmen eines Dauertestes den Abbrand der Glühkathode sowie die Betriebsstabilität (Stahlstromschwankung, Hochspannungs-überschläge u.s.w.) zu untersuchen. Als Arbeitspunkt wurden 141 mA Gesamtstrom bei einer Extraktionsspannung von zirka 40 kV gewählt. Der Durchmesser der Glühkathode war 2,4 mm. Abbildung 1 zeigt den Strahlstrom über einen Zeitraum von etwa 13,5 Stunden. Begonnen wurde die Aufzeichnung nach 305 Betriebsstunden. Nach etwa 350 h wurde der Test beendet. Während der gesamten Messung zeigte sich eine durchschnittliche Überschlagshäufigkeit von etwa 2 Überschläge pro Stunde. Die Zeit, die die Ionenquelle im Überschlagsfall nicht für die Strahlgenerierung zur Verfügung steht beträgt durchschnittlich 23 s.

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Abbildung 17: Standzeitmessung: Gesamtstrom als Funktion der Zeit gegen Ende der Standzeitmessung

Parallel dazu wurde ein neues 120 kV/50 mA Triodenextraktionssystem berechnet, konstruiert und schließlich aufgebaut. Es dient als Ersatz für das zurzeit im Betrieb befindliche 65 kV/250 mA System und soll zeitnah am 150 kV Terminal in Betrieb genommen werden.

2.4.3. Strahldynamik

M. Droba , A. Almomani, G. Clemente (GSI), S. Jacke (GSI), D. Noll, R. Tiede, C.Zhang, A. Orzhekhovskaya Das Simulationsprogramm LORASR wurde um die Möglichkeit der Berechnung von Steering-Korrekturen erweitert (R. Tiede). Diese sollen im Zusammenwirken mit den seit längerem bereits implementierten Routinen zur Definition und Analyse von Maschinenfehlern die Untersuchung möglichst realitätsnaher Szenarien ermöglichen.

Zu den wichtigsten aktuellen Anwendungen zählen die strahldynamischen Designs zum FAIR- Protonenlinac (G. Clemente) sowie zum Injektor-Linac für die geplante „MYRRHA“ Accelerator‐Driven System (ADS) Testanlage in Belgien, welcher im Rahmen der EU-Kollaboration „MAX“ (C. Zhang) entwickelt wird.

Des Weiteren wurden in LORASR die Eingabeparameter und Routinen für die Definition und Berechnung von äquidistanten Strukturen optimiert. Diese finden Anwendung beim Design des GSI „CW Linacs“ (S.

Jacke), einem dedizierten supraleitenden, energievariablen Linearbeschleuniger für die Synthese superschwerer Elemente.

Das 3D PIC (Particle in cell) Simulationsprogramm LASIN (M. Droba) wurde im Rahmen der LIGHT Kollaboration (Laser Ion Generation, Handling and Transport) eingesetzt. Die Simulationsstudien

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konzentrierten sich auf die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Laser-erzeugten Protonpuls und den mit bewegten niederenergetischen Elektronen. Diese zeigen einen großen Einfluss auf die Form und spektrale Verteilung des Protonpulses in den ersten 40ps nach der Generierung. Ein mit LASIN simulierter Strahlpuls wurde verwendet, um eine 40 MeV CH-Struktur zur Nachbeschleunigung lasererzeugter Protonenstrahlen zu entwickeln (A. Almomani). Solche Kombinationen könnten künftig Experimente mit Einzelbunchen ermöglichen sowie für Tumortherapie interessant werden, Abbildung 18.

Abbildung 18: Intensiver Protonenpuls mit überlagerter Elektronenverteilung nach dem Passieren eines Solenoiden.

Ein neuer Ansatz zur Teilchen – und Strahlsimulation (D. Noll) setzt unter anderem auf die möglichst genaue Nachbildung der Strahlumgebung sowie auf die Berücksichtigung von Sekundärteilchenerzeugung, Spiegelladungen und weiteren Effekten. Der im Aufbau befindliche Code Bender soll möglichst vielseitig anwendbar sein.

2.4.4. Hochstromspeicherring

M. Droba , A. Ates, O. Meusel, H. Niebuhr, U. Ratzinger, K. Schulte, J. Wagner

Um dem Ziel der Entwicklung eines Hochstromspeicherrings näher zu kommen, wurden die experimentellen Untersuchungen des Strahltransports durch den toroidalen Teststand und der Wechselwirkung mit dem eingeschlossenen nicht neutralen Plasma (NNP) weitergeführt. Dabei wurde mit Hilfe der im Strahlgang fahrbaren Sonde die transversale Strahldynamik entlang der Strahlachse in mehreren Experimenten untersucht (Abbildung 19-A). Gleichzeitig wurden Simulationen mit dem Programm „tbt“ zum Vergleich der Ergebnisse durchgeführt. Dabei wurde eine weitgehende Übereinstimmung von Simulation und Experiment festgestellt.

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Die Restgasmethode, welche zur Unterdrückung der starken Sekundärelektroneneffekte im Experiment entwickelt wurde, ist weiter untersucht und erfolgreich angewendet worden.

Neben den Strahltransportexperimenten mit dem vorhandenen Detektor wurden im letztem Jahr (2011) auch die ersten Strahluntersuchungen mit dem neu entwickelten Detektortyp durchgeführt. Mit diesem Detektor ist eine zerstörungsfreie Diagnose des Ionenstrahls im starken Magnetfeld mittels der Aufnahme des Restgasleuchtens durch Photodioden möglich. Die ersten Strahltests wurden durchgeführt und waren erfolgreich. Dazu wurde der Detektor in den Teststand am Ende des ersten Toroidsegments eingebaut (Abbildung 19-B) und das Strahlverhalten in Abhängigkeit vom Magnetfeld und der Strahlenergie analysiert. Vergleiche mit den Ergebnissen des Szintillations-Detektors wurden durchgeführt

Die computergestützte Designentwicklung der Hochstromspeicherringstruktur wurde weiter vorangetrieben. Das Fieldmapping der magnetischen Flächen wurde untersucht und war Grundlage für die Darstellung und Analyse der Feldgeometrie in Boozerkoordinaten. Die für den Teilchentransport verstandene Periodizität des longitudinalen Feldverlaufs in nichtorthogonalen Koordinaten kann nun in kommende numerische Teilchensimulation einfließen.

Abbildung 19: A) Mit Szintillationsdetektor bestimmte Strahlverteilung beim Strahltransport durch beide Toroidsegmente (xz-Ebene). Erkennbar ist der große Teilchenverlust am Ende der Driftsektion, welcher von den Simulationen vorhergesagt wurde. B) Messaufbau zur Vermessung des Strahls mit dem neuen, diodenbestückten Detektor im toroidalen Teststand.

34 2.4.5. Gabor-Plasmalinse

K. Schulte, M. Droba, B. Glaeser, S. Klaproth, O. Meusel, U. Ratzinger

Die für das Frontend des Hochstrominjektors der GSI entwickelte Gabor-Plasmalinse (Abbildung 20-A) ist in Betrieb genommen worden. Nach einer Konditionierung wurden die vorgesehenen Betriebsparameter erreicht und Messungen am Hochstromtestinjektor (HOSTI) werden vorbereitet. In diesem Jahr (2012) wurde die Gabor Linse erfolgreich mit Strahl an der GSI getestet.

Abbildung 20: Teststand der Gabor-Plasmalinse, zeitliche Entwicklung der Plasmainstabilität und das zugehörige Leuchtdichteprofil über mehrere Perioden.

Für die Untersuchung der Plasmadynamik - u.a. auch das Auftreten von Instabilitäten - ist eine zeitaufgelöste Diagnose entwickelt worden. Abbildung 20-B zeigt die Entwicklung der Instabilität innerhalb eines Zeitintervalls von 10ms und Abbildung 1C das Leuchtdichteprofil über mehrere Perioden.

Derzeitig werden mithilfe der Röntgenspektroskopie die Verlustprozesse und Verlustraten der eingeschlossenen Elektronenwolke in Abhängigkeit der einschließenden Felder untersucht.

2.4.6. Frankfurter Neutronenquelle – FRANZ

O. Meusel, S. Basten, L.P. Chau, C. Claesens, H. Dinter, C. Fix, M. Heilmann, T. Kanesue, M. Lotz, D. Mäder, D. Maiberger, D. Noll, H. Podlech, U. Ratzinger, H. Reichau, R. Reifarth, A. Schempp, S. Schmidt, M.

Schwarz, W. Schweizer, A. Seibel, K. Volk, C. Wagner, C. Wiesner

Nachdem vor zwei Jahren der Antrag auf Finanzierung des HF-Senderverstärkers durch die DFG und durch HICforFAIR im Rahmen der hessischen LOEWE – Initiative bewilligt wurde, erfolgte in 2011 die Lieferung und erfolgreiche Inbetriebnahme des 250 kW, 175 MHz Senders, Abbildung 21. Damit wurde die Basis für den Antrieb der kompakten RFQ-IH-Beschleunigerkavität geschaffen.

Drei Halbleiterverstärker mit HF – Ausgangsleistungen von 12 kW bzw. 18 kW wurden ebenfalls geliefert.

Sie dienen zur Ansteuerung der Rebuncher – Kavitäten.

Die Beschleunigerkavität befindet sich in der Konstruktion und Fertigung. Wegen der enormen Herausforderung in Bezug auf die Betriebsparameter wurden für einige Komponenten Prototypen entwickelt. Die Stützen des RFQ-Resonators werden über ein spezielles Herstellungsverfahren gefertigt.

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Ende 2013 soll die Beschleunigerkavität für einen ersten Strahlbetrieb einsatzbereit zur Verfügung stehen. Dazu müssen in 2013 zahlreiche technische Hürden bewältigt werden, die benötigte Strahldiagnose wurde bestellt.

Der vom Mobley-Buncherprinzip ausgehende Bunchkompressor ARMADILLO wurde strahloptisch weiter verbessert – insbesondere bzgl. Hochstromeffekten. Zu den beiden Rebuncher-Kavitäten von ARMADILLO wurde in diesem Jahr eine Masterarbeit abgeschlossen. Große Aufmerksamkeit erfordert die Gestaltung der magnetischen Dipolrandfelder.

Die Umsetzung der Komponenten des ARMADILLOs in technische Entwürfe wird fortgesetzt. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Platten des Kickers für die individuelle Ablenkung der Teilchenpakete und die Gradientendipole des magnetischen Umlenksystems.

Alle strahloptischen Komponenten bis zum Einschuss in den Bunchkompressor sind bereits im Haus.

Abbildung 21: Blick auf das Dach des FRANZ – Cave und den dort installierten 250 kW, 175 MHz Hochfrequenzverstärker, welcher den Leistungstest vor Ort absolviert hat.

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2.5. AG Reifarth

Die Arbeitsgruppe „Experimentelle Astrophysik“ von Professor Dr. René Reifarth beschäftigt sich mit der Messung von Reaktionsraten, die für die Synthese der Elemente in Sternen wichtig sind. Dabei kommen unterschiedliche experimentelle Methoden zum Einsatz, die sowohl an kleineren Beschleunigeranlagen, wie man sie an Universitäten findet, aber auch an Großforschungseinrichtungen wie dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland, oder dem Europäischen Forschungszentrum CERN, Genf, Schweiz, ausgeführt werden. In Zukunft soll auch die Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) verwendet werden, um neutronen- und protoneninduzierte Reaktionen zu untersuchen. Die für die Experimente notwendigen technischen Entwicklungen werden ebenfalls in der Arbeitsgruppe „Experimentelle Astrophysik“ voran getrieben.

Neben den experimentellen Untersuchungen ist ein weiteres Standbein der Gruppe die Simulation von astrophysikalischen Szenarien in Zusammenarbeit mit der NuGRID Kollaboration.

2.5.1. Experimente und Entwicklungen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

In den vergangenen beiden Jahren war die Arbeitsgruppe an mehreren experimentellen Kampagnen beteiligt und wertet die dabei gewonnenen Daten mit Hinblick auf deren astrophysikalische Anwendung aus. Außerdem beteiligt sich die Gruppe am Aufbau des Neutronendetektors NeuLAND, der im experimentellen Aufbau R³B (Relativistic Reactions with Radioactive Beams) an FAIR, Darmstadt, Deutschland, zum Einsatz kommen wird.

Im Experiment S393 wurde mit einer Reihe von leichten neutronenreichen radioaktiven Kernen gearbeitet, die beim Aufbruch eines Ar-Primärstrahls an einem Be-Target entstehen. Die Verwendung verschiedener Energien des Strahls im Bereich von 500 AMeV bis 700 AMeV eröffnet dabei die Möglichkeit, eine Vielzahl von Reaktionen in unterschiedlichen Kinematiken zu untersuchen. Im Rahmen seiner Doktorarbeit untersucht Dipl.-Phys.

Sebastian Altstadt die Reaktionen ¹¹Be(γ,n) sowie

14,15

B(γ,n), Abbildung 22. Deren Umkehrreaktionen, also die Neutroneneinfang-Reaktionen ^13,14B, haben Auswirkungen auf die Isotopenhäufigkeiten schwerer Elemente, die im schnellen Neutroneneinfangprozess (rapid neutron capture process – r-Prozess) in der Massenregion A > 75 produziert werden.

Tanja Heftrich, M.Sc., beschäftigt sich in ihrer

Doktorarbeit mit Experimenten zum Neutroneneinfang an den instabilen Eisenisotopen ^59,60Fe. Im Rahmen des Experiments S389 wurde in Kollaboration mit der Gruppe von Michael Wiescher (University of Notre Dame, Indiana, USA) der Coulomb-Aufbruch der Isotope ^60,61Fe untersucht, um den Wirkungsquerschnitt der Neutroneneinfang-Reaktionen zu bestimmen. Diese sind wichtig, um die Produktion und Destruktion von ⁶⁰Fe im langsamen Neutroneneinfangprozess (slow neutron capture Abbildung 22: Differentieller Wirkungsquerschnitt aufgetragen gegen die Anregungsenergie für den 1n-Aufbruch von

11Be an einer Bleifolie. Der integrale Wirkungsquerschnitt stimmt im Rahmen der Fehlergenauigkeit mit einer vorangegangenen Messung (R. Palit et al., Physical Review C 48, 034318, 2003) überein und bestätigt damit die verwendeten Analysemethoden.