Live aus dem Kontrollraum

Über den Umbau des WASA Detektors habe ich ja schon berichtet. Mittlerweile sind wir mitten in der ersten Messung. Und weil es gerade so gut läuft, gibt es jetzt einen Livebericht direkt vom Experiment.

Die in der Strahlzeit verwendeten Targets (Bild: I. Keshelashvili, FZJ)

Dieses Experiment dient dazu eine Datenbasis für das Design eines dedizierten EDM Polarimeters und für die Planung einer ersten EDM Messung an COSY zu erstellen. Das Messung läuft jetzt seit etwas mehr als einer Woche. Seit dem Detektorumbau ist noch einiges passiert: wir haben die Mechanik für die Targets eingebaut, also die Objekte, die der Teilchenstrahl von COSY treffen soll und wir haben die bereits etwas in die Jahre gekommene Triggerelektronik – das ist der Teil, der für uns entscheidet, ob ein Ereignis gespeichert werden soll oder nicht – durch eine kompaktere Lösung mit FPGAs ersetzt.

Das Bild links zeigt die drei verwendeten Targets wie sie auf dem Targethalter montiert sind. Ganz links ein reines Kohlenstofftarget in Keilform, in der Mitte und rechts zwei Streifen Polyethylen (mit einer Dicke von jeweils 30µm), in dem Kohlenstoffatome und Wasserstoffstome im Verhältnis 1:2 vorkommen. Letztere dienen zur Normierung unserer Messung: mit Hilfe von bereits gemessenen Daten am Wasserstoff können sowohl der Strahlstrom als auch die Eigenschaften des Detektors bestimmt und so die Ereignisse am Kohlenstoff interpretiert werden. Das Bild wurde in der Montagekammer außerhalb des Strahlrohres aufgenommen. Für die Messungen wird die Stange, an der die Targets montiert sind etwa 40cm weiter nach links in den Strahl geschoben.

Ein solches Experiment an COSY beginnt immer damit, dass der Teilchenstrahl von der COSY Crew so aufgesetzt wird, wie es für die Messung notwendig ist. In unserem Fall waren das im wesentlichen

• die Teilchensorte, also Deuteronen,
• vier verschiedene Strahlenergien
• und fünf verschiedene Polarisationzustände.

Die Polarisationszustände bestimmen wie der Eigendrehimpuls – also der Spin – der Deuteronen im Strahl ausgerichtet ist. In COSY können zeitlich stabile Spinausrichtungen nur entlang einer vertikalen Achse zum Strahl eingestellt werden. Da das Deuteron einen Spin von 1 hat (darauf möchte ich im Moment nicht genauer eingehen), gibt es dafür drei Spinzustände eines einzelnen Deuterons: nach oben (+), nach unten (-) und in der Horizontalen (0), wobei die genaue Ausrichtung innerhalb der horizontalen Ebene nicht bestimmt ist. Bei einem Ensemble von vielen Teilchen können alle drei Zustände auftreten. Die Polarisation eines Strahls beschreibt dabei wie oft ein bestimmter Zustand im Strahl zu finden ist. Möchte man nun – wie wir – den Einfluss der Spinrichtung auf die Messung untersuchen, muss man verschiedene Strahlpolarisationen verwenden um dann über die gemessenen Unterschiede auf die Spinabhängigkeit zu schließen. Zu Normierungszwecken ist dabei meist einer der gewählten Zustände der unpolarisierte Strahl.

So ein Target ist zwar für das Experiment notwendig, stört aber sehr, wenn man COSY Ring erst mit Deuteronen füllen und dann beschleunigen muss. Müssten die Teilchen dabei schon durch das Target fliegen, würden die dabei auftretenden Streuungen den Strahl schon verschwinden lassen bevor wir mit der Messung überhaupt anfangen können. Da wir das Target nicht bei jeder Füllung (Injektion) zurückfahren können, arbeitet COSY hier mit einem Trick: der Strahl läuft nicht überall im Zentrum des Strahlrohres, sondern bildet am Ort des WASA Detektors eine Beule nach unten aus. Dies wird durch sogenannte Steerermagnete erreicht, die den Strahl an der richtigen Stelle leicht auslenken. Speziell beim WASA Detektor gibt es hier jedoch eine Schwierigkeit: das Strahlrohr ist dort enger als an anderen Stellen, da wir mit unseren Detektoren so nahe wie möglich an die Strahlachse heran müssen. Das bedeutet, dass es einiges an Arbeit, Zeit und Geduld für die Feinjustierung braucht, bis der Strahl genau zwischen Target und Wand hindurch passte.

An dieser Stelle im Zyklus (also der Zeitspanne zwischen zwei Injektionen) könnten wir die Datenaufnahme aktivieren und messen … was aber natürlich mit dem Strahl unterhalb des Targets wenig Sinn machen würde. Für die Messung wird der Strahl daher langsam auf das Target nach oben gefahren. Um die Bedingungen, d.h. die Zählraten, im Detektor möglichst konstant zu halten, ist hier noch eine spezielle Regelelektronik dazwischen geschaltet. Diese regelt die Geschwindigkeit mit der Strahl auf das Target gefahren wird genau so, dass die Zählrate im Detektor konstant bleibt. Hier wird auch klar, warum keilförmigen Targets hier ideal sind: da der Strahl zuerst auf die Spitze trifft, gibt es an dieser Stelle keinen großen Sprung in der Detektorrate.

Detektorrate und Strahlintensität als Funktion der Zeit (Bild: JEDI Koll., FZJ)

Läuft alles stabil hat man einen zeitlichen Verlauf wie im obigen Bild dargestellt. Die rote Kurve gibt die Zahl der Ereignisse im Detektor an, die an die Datenaufnahme weitergegeben werden, die blaue Kurve die Zahl, die die Datenaufnahme davon verarbeiten kann. Die Zahlen an der vertikal Achse entsprechen Ereignisse pro Sekunde. Die schwarze Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Strahlstromes. Im Idealfall fällt dieser bei konstanter Detektorrate linear ab, da die Teilchen, die eine Reaktion im Target auslösen, für den Strahl verloren sind. Bei der Darstellung oben muss man beachten, dass die Nulllinie für die schwarze Kurve nach oben verschoben ist und bei etwa 15000 Einheiten liegt. Um ein paar Zahlen zu nennen: wir starten mit etwa 5 x 10⁸ Deuteronen und verbrauchen diese innerhalb eines 20s Zyklus. Der Polarisationszustand wird von Zyklus zu Zyklus geändert, so dass nach 5 Zyklen alle Zustände durch sind.

Detektorraten bei verschiedenen Polarisationszuständen (Bild: JEDI Koll., FZJ)

Was wir beobachten möchten sind z.B. Unterschiede in der Zahl der Teilchen, die nach rechts und nach links gestreut werden. Dies zeigt uns wie sensitiv die Reaktion darauf ist ob der Spin nach oben oder nach unten zeigt. Auch ohne eine aufwändige Analyse kann das schon „online“ während des Experiments beobachtet werden. Das Bild rechts zeigt eine solche Abhängigkeit. Hierzu ist eine unserer Detektorlagen verwendet worden, die in Form von 48 Kuchenstücke um das Strahlrohr herum gebaut ist. Dabei zeigen die Elemente 1 und 48 nach links und die Elemente 24 und 25 nach rechts. Man sieht deutlich, dass im Vergleich zum unpolarisierten Strahl für die Polarisationseinstellung „+“ (Spin nach oben) mehr Teilchen nach rechts als nach links fliegen und für die Einstellung „-“ (Spin nach unten) genau das Gegenteil passiert. Im Idealfall sollte die Rate für den unpolarisierten Fall in jedem Detektorelement gleich sein. In einem realen Detektor gibt es jedoch eine Nachweisschwelle, die wegen der unterschiedlichen Detektoreigenschaften und der leicht unterschiedlichen Verstärkung ebenfalls von Element zu Element unterschiedlich ist. Die vier Einbrüche, die man im Abstand von 12 Elementen sieht, gehen auf eine Metallkreuz als Haltestruktur zurück.

Für das gezeigte Bild wird alles gezählt, was im Detektor ankommt. Das Ziel des Experiments ist es aber, die verschiedenen Reaktionen zu trennen, die beim Beschuss von Kohlenstoff mit Deuteronen auftreten können. Auch wollen wir die Ergebnisse als Funktion des Winkels zwischen Strahlachse und Teilchenbahn (des sigenannten Streuwinkels) bestimmen. Hierzu ist dann nach der Experimentphase noch eine intensive und detaillierte Datenanalyse notwendig, die auch die anderen Detektorlagen mit berücksichtigt.

Ich hoffe, ich konnte hiermit einen kleinen Einblick in das geben, was im Moment und noch eine Woche lang an COSY passiert.