l KfK 2605( 1\Ex.)

ErgebnisberichtüberForschungs-undEntwicklungsarbeiten

1977des Instituts für Kernphysik

Kernforschungszentrum Karlsruhe

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Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor

KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH

KfK 2605

Ergebnisberichtüber Forschungs- undEntwicklungsarbeiten

1977des Instituts für Kernphysik

-1~

IIL

Das Institut für Kernphysik (IK) wird wie das Insti­

tut für Technische Physik (ITP) zusammen mit dem In­

stitut für Experimentelle Kernphysik der Universität

Karlsruhe betrieben (dieses Hochschulinstitut hatte

am 31.12.77 68,5 Mitarbeiter). Das Institut für Kern­

physik umfaßt folgende Arbeitsrichtungen:

- Kern- und Elementarteilchenphysik

- Entwicklungen zur Beschleunigertechnik, insbeson-

dere unter Einsatz der Hochfrequenzsupraleitung.

Am 31.12.1977 waren in den Abteilungen und Projekten

des Institutes 159 Mitarbeiter, davon 6 Halbtags­

kräfte, beschäftigt. Davon waren 60,5 im Stellenplan

der GfK geführt. Eine detaillierte Aufstellung des

Personals erfolgt bei den Teilinstituten.

Dem IK und dem ITP stehen gemeinsam mechanische und

elektrische Werkst~tten zur Verfügung. Das ITP betreibt

Kälteanlagen auch für die Arbeit im IK.

Institut für Kernphysik - Teilinstitut I

Im Teilinstitut I (Leitung NN) werden Fragen zur Struk­

tur der Atomkerne und zur Wechselwirkung der Elemen­

tarteilchen, überwiegend unter Ausnutzung von großen

Beschleunigern,untersucht.

Experimente an den Speicherringen ISR des 25 GeV-Be­

schleunigers in Genf sowie später am e+e-Speicherring

PETRA in Hamburg sollen durch die Untersuchung von

Vielteilchenzuständen Informationen über besondere As­

pekte der starken Wechselwirkung, insbesondere über

die Eigenschaften der neuentdeckten Teilchen geben.

Dabei werden in Karlsruhe entwickelte Detektoren, die

bei tiefen Temperaturen arbeiten, eingesetzt.

Am Jahresende waren im Teilinstitut I tätig: 4 Akade­

miker, 1 Ingenieur und 3 sonstige Mitarbeiter, davon

2 Halbtagskräfte der GfK. Zusätzlich wurden 7 Akade­

miker und 4 sonstige Mitarbeiter direkt vom BMFT fi­

nanziert. Außerdem arbeiteten in den verschiedenen

Gruppen 7 Akademiker und 2,5 sonstige Mitarbeiter als

Angehörige der Universität Karlsruhe überwiegend an

Problemen der niederenergetischen Kernphysik. Weiter­

hin zählten 5 Doktoranden und 11 Diplomanden zum Teil­

institut 1.

Institut für Experimentelle Kernphysik ­

Teilinstitut II

Im Teilinstitut 11 (Leitung Prof. Dr. A. Citron)

wird Beschleunigertechnik, insbesondere die Techno­

logie der Hochfrequenz-Supraleitung entwickelt. Die­

se Technologie ist gekennzeichnet durch

- Spezifische Supraleitungsprobleme in den sehr dün­

nen stromtragenden Überflächenschichten und

- Hochfrequenztechnische Folgeprobleme, die mit der

ungewöhnlich schmalen Bandbreite supraleitender Re­

sonatoren zusammenhängen.

Ein supraleitender Linearbeschleuniger für Protonen

soll 1978 betrieben werden.

Möglichkeiten, diese Technologie beim Ausbau von Spei-

INSTITUT FüR KERNPHYSIK

(IK)

Leitung: Prof. Dr. A. Citron

(NN)

~2-

cherringen auf höhere Energie zu nutzen, werden zusam­

men mit den Laboratorien CERN und DESY untersucht.

Neben diesen Projekten werden anwendungsnahe Grund­

lagen-Untersuchungen zu den Eigenschaften supraleiten­

der Oberflächen, die Hochfrequenzströme tragen, durch­

geführt, mit dem Ziel, über ein besseres Verständnis

bessere Bedingungen für die Präparation solcher Ober­

flächen zu erhalten.

Das Teilinstitut trägt zu einer Studie über die Er­

richtung einer intensiven Neutronenquelle auf Be­

schleunigerbasis im KFZ bei.

Fragen zur Untersuchung der Kernstrukturen werden

durch Arbeiten am Beschleuniger des SIN, Villigen

(Schweiz) verfolgt. Insbesondere werden Fragen un­

tersucht, die im Zusammenhang mit der medizinischen

und biologischen Anwendung von TI-Mesonen auftreten.

Am Jahresende waren im Teilinstitut 11 21 Akademiker,

6 Ingenieure urld 19,5 sonstige Mitarbeiter und 1 Lehr­

ling, als Angehörige der GfK sowie 2 Gäste tätig; zu­

sätzlich wurden 6 Akademiker und 1 sonstiger Mitarbei­

ter direkt vom BMFT sowie 2 sonstige Mitarbeiter aus

Fremdmitteln finanziert. Außerdem arbeiteten 8 Akade­

miker, 1 Ingenieur und 2,5 sonstige Mitarbeiter als

Angehörige der Universität Karlsruhe in den verschie­

denen Gruppen. Weiterhin zählten 11 Doktoranden,

10 Diplomanden und 3 Lehramtskandidaten zum Teilinsti­

tut 11.

1. Kern- und Teilchenphysik

1.1 Theorie

Die Behandlung peripherer Teilchenreaktionen der

elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung zum

Zwecke der quantitativen Vorhersage von Experimenten

ist ein Schwerpunkt der Arbeiten der letzten Jahre ge­

wesen. Frühere Ergebnisse haben ergeben, daß die Ge­

nauigkeit der Vorhersage von den im Modell auftreten­

den Strukturfunktionen und Kopplungskonstanten ab­

hängt. Im letzten Jahr bestand daher ein großer Teil

der Aktivitäten aus der systematischen Untersuchung

dieser Größen durch Summenregeln, die aus Modellvor­

stellungen über das Hochenergieverhalten von Streu­

amplituden folgen und als zuverlässiger Ausgangspunkt

akzeptiert sind. Für eine große Klasse bisher unbe­

kannter Strukturfunktionen der Baryonen-Vertizes des

Vektor- und Axialvektorstromes wurde ein algebraisches

Gleichungssystem aufgestellt und analytisch gelöst.

Entsprechende Schritte wurden auch für die unbekann­

ten Kopplungskonstanten unternommen.

Zunächst wurde die Saturation der Summenregeln mit

niederenergetischen Resonanzen anhand experilimental

bekannter Fälle erprobt und der Gültigkeitsbereich

der Auswertungsmethode abgesteckt. Die Ergebnisse

stehen jetzt~ für eine verbesserte numerische Vorher­

sage unserer Modelle zur Verfügung. Darüberhinaus

können die Resultate zu theoretischen Zwecken z.B.

für die Überprüfung von Symmetriemodellen der Ver­

tizes herangezogen werden. Unsere Ergebnisse zeigen,

daß Ströme zweiter Art des Axialvektors bei kleinen

Impulsüberträgen nur sehr kleine Beiträge liefern

können, im Gegensatz zur Interpretation einiger Ex­

perimente in der Literatur (K. Sugimoto et al., Phys.

Rev. Lett. ~, 1533 (1975); F.P: Calaprice et al.,

Phys. Rev. Lett. 35, 1566 (1975)1. Weiterhin ergibt

sich eine una1~ängige Ableitung der Hypothese vom

)artiell erhaltenen schwachen Strom und die Möglich­

keit, diese Hypothese auf einen größeren Bereich des

Impulsübertrages anzuwenden. Schließlich können wir

auch mit den Ergebnissen die Gültigkeiten der Vor­

hersagen der relativistischen U(6,6) Symmetrie (B.

Sakita, K.C. Wali, Phys. Rev.~ 1355 (1965);

R. Oehme, Phys. Lett. ~, 519 (1965)[ kontrollieren.

Wir finden eine Bestätigung der wesentlichen Aus­

sagen in dem Bereich des Impulsübertrages k2, in dem2 2unsere Analyse angewendet werden kann:lk IM 1<1, M

Nukleonenmasse. Generell kann man sagen, daß diese

Analyse einen Beitrag geliefert hat, um im Bereich

der Teilchenphysik aus übersichtlichen, die experi­

mentelle Erfahrung zusammenfassenden Vorstellungen

sehr detaillierte und verläßliche Vorhersagen über

grundlegende Größen des Gebietes abzuleiten.

Ein weiterer Aspekt der theoretischen Arbeiten war

der Versuch, die Streuamplituden unseres Modells aus

effektiven Lagrangefunktionen und PrJpagatoren abzu­

leiten. Diese Arbeit ist noch nicht abgeschlossen.

Ziel ist eine übersichtliche und handliche analyti­

sche Darstellung des Modells zu gewinnen, um ers~~ns

die numerische Auswertung und. damit auch die Anwend­

barkeit zu vereinfachen und zweitens die Möglichkeit

zu geben, das Modell auf andere Fälle übertragen zu

können.

Mitarbeiter: Prof. Dr. W. Schmidt

DP H. D. Kiehlmann

Dr. P. Levi (bis 30.4.77)

1.2 e+e- Speicherringexperiment CELLO

In Zusammenarbeit mit Gruppen des MPI München, der

-3-

OIE0.3

Abb. I: Energieauflösung im Flüssig-Argonkalorimeter

Messungen von Elektronen in einem Prototyp

des modular aufgebauten Kalorimeters.

Das wissenschaftliche Programm konzentriert sich auf

Untersuchungen subnuklearer Bausteine (Quarks), mit

Hilfe derer Aufbau und Bindung von nuklearer Materie

erklärt werden soll.

In dem Experiment wurde der Erzeugungsmechanism~svon

Teilchen mit großem Transversalimpuls durch die Ana­

lyse der Ereignisse im vollen Phasenraum bei ,einer

Schwerpunktsenergie von 53 GeV untersucht. Das Experi­

ment wurde im Rahmen der CERN - College de France ­

Heidelberg - KarlsruheKollaboration durchgeführt.

Durch den Vergleich der Meßdaten mit Modellrechnun­

gen wurde gezeigt, daß die beobachteten Teilchendich­

ten im PhasenraUm quantitativ auf einem Quark-Quark

Streuprozeß mit Vektorgluonaustausch zurückgeführt

werden können, der im Rahmen der Quantenchromodynamik

berechenbar ist I s. Nucl. Phys. ~' 1-42 '(1977);

11567; 11568 I. Die Quarkfragmentation in beobacht­

baren Hadronen wurde der inelastischen Lepton-Nukleon­

streuung entnommen. Die beobachtete mittlere Ladung

<qF> = 1/3 der Quarkfragmente (Abb. I) ist mit der

Modellannahme kompatibel, daß das Proton aus 3 Quarks

zusammengesetzt ist I 11272; W. Hofmann, Bi-TP 77/39,

27 (1977); 11463; M. Della Negra et al.: Quantum num­

ber correlations in events with a charged particle of

large transverse momentum, submitted to European Con­

ference on Particle Physics, Budapest (1977) I. Es

wurden außerdem Quantenzahlkorrelationen zwischen dem

Teilchen mit dem größten Transversalimpuls und den

Fragmenten des Restprotons beobachtet 110442, W. Hof­

mann, Bi-TP 77/39,27 (1977) I. Die Amvendung der "quark

counting rules" auf diese Resultate ergab, daß 'Tf-Me­

sonen mit großem Transversalimpuls bei der Quark-Quark

Streuung, Protonen mit großem Transversalimpuls da­

gegen bei der Diquark-Quark Streuung erzeugt werden.

Insgesamt hat das Experiment wesentliche Beiträge zum

Verständnis des Streuprozesses der Konstituenten des

Protons geliefert.

1.3 Vielteilchenproduktion am Protonenspeicherring

in Genf

Die Meßdaten zur Vielteilchenproduktion in inelasti­

sehen Reaktionen bei sehr hohen Energien wurden quan­

titativ im Rahmen des Clustermodells analysiert

111272, M. Della-Negra et al.: Charged particle cor­

relations in events of nondiffractive proton-proton

collisions at 18 = 52.5 GeV, submitted zu European

Conference on Particle Physics, Budapest (1977)1;

für die Quantenzahlen der "leading" Teilchen wurde ge­

zeigt, daß sie mit denen des Protons

110853, 105551. Bei diesen Analysen

nachgewiesen, daß Modellvorstellungen

höchster Energien übertragen werden

E

• CVlINDRICAL MODULEo E!lD CAP MODULE

o

o

~1E.O.07NE"-!~--tf-----+t

o1---,----,-~---r-..,----.--_r_-+-__IIllo-o 231.5678

BEAM MOMENTUM (GeV/cl

0.1

0.2

Universität Paris, den nationalen französischen Kern­

forschungs zentren Saclay und Orsay sowie mit einer

Gruppe von DESY wurde für den neuen2 x 15 GeV e+e­

Speicherring bei DESY ein experimenteller Aufbau ent­

wickelt, mit dem ein umfangreiches wissenschaftliches

Programm in Angriff genommen werden soll.

Die Karlsruher Gruppe hat zunächst zlvei Aufgabenbe­

reiche übernommen: einerseits die Entwicklung der Ver­

stärker- und Ausleseelektronik sowie der Kryotechnik

für ein Flüssigargon-Bleikalorimeter, welches der Ort~

und Energiebestimmung elektromagnetischer Teilchen

dient, anqererseits die Entwicklung von Analysepro­

grammen für den erwarteten Datenfluß.

In Testmessungen an einem Prototypen des modular auf­

gebauten Kalorimeters in einem Teilchenstrahl bei

CERN wurde die erwartete gu'te Energieauflösung von

a/E = 0,07/E für Elektronen erreicht (s. Abb.I).

Eine Veröffentlichung dieser Ergebnisse wird vorbe­

reitet.

Mitarbeiter: Dr. D. C. Fries

Dr. W. D. Apel

Dr. J. Engler

H. Hucker

H. Keim

W. Löchle (bis 30.4.77)

Dr. F. Mönnig

Dr. H. Schneider

R. Stöckle (ab 1.9.77)

V. Wesehe

M. Süßer

-4-

bei niedrigeren Energien bewährt haben.

0.4 r---r--,--..,.--',--'--'"

0.1

Abb. I: Mittlere elektrische Ladung der Fragmente ge­

streuter Quarks. Die Meßgröße sollte gleich

der reziproken Zahl der Quarks des primären

Protons sein

Mitarbeiter: Prof. D. Wegener (ab 1.12.77 Uni Dortmun~

Dr. P. Hanke

Dr. W. Hofmann

Dr. W. Isenbeck (bis 30.6.77)

DP J. Spengler

1.4 Untersuchungen seltener Ereignisse an den CERN­

Speicherringen

Der Aufbau der Komponenten des Vielteilchenspektro­

meters, das im Experiment verwendet wird durch die

Annecy - CERN - College de France - Dortmund - Heidel­

berg - Karlsruhe - Warschau Kollaboration wurde plan­

mäßig abgeschlossen (Abb. 2). In erfolgreichen Test­

messungen wurde gezeigt, daß die Trigger für die bei­

den Teile des Experimentierprogramms einwandfrei ar­

beiten: Elektronen aus dem Zerfall von Teilchen mit

der neuen Quantenzahl Charm sollen mit Hilfe von zwei

Schwellencerenkovzählern, 1 Schauerzähler und mit viel­

drahtproportionalkammern identifiziert werden, deren

Analogimpuls registriert wird; zum Nachweis von Teil-

Abb. 2: Das in Karlsruhe entwickelte Flüssig-Argon­

kalorimeter zum Nachweis neutraler Teilchen

für den Einsatz am Vielteilchenspektrometer

des Protonenspeicherrings in CERN.

chen mit großem Transversalimpuls aus der Quark-Quark

Streuung Is. Nucl. Phys. ~,1-42 (1977)!dient ein

Schwellencerenkovzähler und Vieldrahtproportionalkam­

mern, neutrale Teilchen werden mit einem Flüssig-Ar­

gonkalorimeter nachgewiesen und indentifiziert 1104421.

MitRrbeiter: Prof. Dr. Wegener (ab 1.12.77 Uni Dort­

mund)

W. Degitz

Dr. J. Engler

Dr. P. Hanke

Dr. W. Hofmann

H. Hucker

W. Löchle

M. Panter

K. Rauschnabel

DP J. Spengler

V. Wesche

1.5 Photonexperiment (DESY)

Die Zusammenarbeit mit einer Gruppe von DESY bei der

experimentellen Untersuchung der Photoerzeugung schwe­

rer Hadronpaare wurde fortgesetzt.

~5-

Bei der Auswertung bisher genommener Daten wurde eine

massenabhängige Interferenz an der K+K- Schwelle ge­

funden, die sich quantitativ erklären läßt mit der An­

nahme, daß dort ein skalares, in K+K- zerfallenes Me­

son photoerzeugt' wird. Hieraus ergibt sich eine Schra~

ke für' die Photoerzeugung der S*993 Mesons, welches

als Kandidat für einen quarkfreien Gluonzustand ange­

sehen wird. Eine Publikation der Ergebnisse wurde vor­

bereitet.

In einem Datenlaufzur Photoerzeugung von Antiproto­

nen wurderi Ereignisse der Reaktion yp + ppp gefunden.

Ein weiterer Datenlauf wird vorbereitet.

Mitarbeiter: Dr. D. C. Fries

DP J. Bodenkamp

DP A. Markou

DP E. Seitz

1.6 Neutrale Resonanzen

Daten des Serpukhov Experimentes wurden weiter ausge­

wertet.

Mit der Veröffentlichung der differentiellen Wirkungs­

querschnitte der Reaktion TI-P + KOn bei 25 und 40 Gev/c

1115541 wurde die Analyse der mit Drahtkammern gewon­

nenen Daten endgültig abgeschlossen. Die aus der Ener­

gieabhängigkeit der differentiellen Wirkungsquerschnk­

te bestimmte. Regge-Trajektorie läuft parallel zur p­

Trajektorie und schneidet die Achse etwas tiefer bei

a(O) ~ 0.39 ± 0.02.

Die Reaktion TI p + TIon wurde bei 40 GeV/c bis zu ei­

nem Impulsübertrag von Itl = 1.8 GeV/c gemessen 111141

116791; das sind 5 Größenordnungen im differentiellen

Wirkungsquerschnitt. Die Analyse der Daten mit einem

geometrischen Stoß-Parameter Modell ergab"die Fort­

set~ung des linearen Anstiegs des Imaginärteils bei

den. hohen Energien. Daraus kann mit Dispersionsrela­

tionen der Realteil bestimmt werden. Er entspricht ei­

nem Wechselwirkungsradius von 1 fm.

In der Reaktion TI p + X n wurde bei 40 GeV/c ein Peak

~yin der Massenverteilung bei 2.85 GeV/c 2 gefunden.

Die Breite ist kleiner als die experimen-

telle Auflösung von ± 0.07 GeV/c2 . Die sechs beobach­

teten Ereignisse sind untergrundfrei und ergeben für

das Produkt Wirkungsquerschnitt * Zerfallsverhältnis

2 10-34 cm2 . Es ist dies die erste Beobachtung des

Charmonium-Singlett Zustandes in hadronischen Reak­

tionen.

Mitarbeiter: Dr. H. Müller

MS F. Abdel-Khalek

Dr. W. D. Apel

DP K. H. Augenstein

G. Deutsch

H. Hagert

DP M. Krüger

Dr. H. Schneider

1.7 Untersuchungen zum ß-Zerfall und zur schwachen

Wechselwirkung

Die Untersuchungen zur Spektrumsform von supererlaub­

ten 0+ +0+ Ubergängen wurden im Berichtszeitraum ab­

geschlossen. Die Messungen hatten zum Ziel, die Grem­

energie der ß-Ubergänge direkt aus den Spektren zu

gewinnen und die Lebensdauer der Zustände zu bestim­

men. Der aus diesen beiden Größen gebildete ft-Wert

wird zur Ermittlung der Vektorkopplungskonstante der

schwachen Wechselwirkung herangezogen.

Für die Untersuchungen wurde ein eisenfreies Doppel­

linsenspektrometer verwendet. Wegen der kurzen Halb­

wertszeiten der hier betrachteten Zustände (typisch

einige 100 msec) wurden die Messungen am externen

Strahl des Zyklotrons durchgeführt. Die Monitorpro­

bleme der 'in-beam' Spektroskopie konnten durch ein

neu entwickeltes Meßprinzip vermieden werden.

Für die Ubergänge K38m+Ar38I 11445,11235 lu.CI34+S 34

wurden ft-Wert und Shape-Faktor gemessen. Die Auswer­

tung zeigte, daß die Spektren mit der von der V-A

Theorie vorausgesagten Form übereinstimmen. Innerhalb

der Fehlergrenzen ergab sich keine Energieabhängig­

keit der Shape-Faktoren (s. Abb. 1). Damit ist auch

gezeigt, daß der Beitrag der modellunabhängigen

Strahlungskorrekturen korrekt berücksichtigt wurde.

Die Messungen an diesen 0+ +0+ Ubergängen sind eine

gute Grundlage für die geplanten Untersuchungen an

Gamow-Teller-Ubergängen, weil sie die Verläßlichkei0des Meßprinzips für vergleichsweise hohe ß-Energien

und kurze Lebens dauern ausweisen. Bei der Suche nach

induzierten Tensortermen in der A-Wechselwirkung, den

sogenannten Strömen zweiter Klasse,

daß die als

1.1

Mitarbeiter: Prof. Dr. H. Appel

Dr. H. Haffner

A. Andl

I I

9~'+.0:---'.c::.'--6::r.6:---'6r:.,--,::r.2c---,"-.0:---",.-'-'-----'9"-.6:--Cl10'--.,:----'PH-~ERT

Die Beobachtung des Hyperfeinfeldes an der-Oberflä­

che von Ni wurde durch Messung einer gestörten y-y­

Winkelkorrelation an Cd l11 fortgeführt. Die bisheri­

gen Intensitätsverluste bei der Gewinnung des ak­

tiven Materials im Massentrenner wurden durch Anwen­

dung eines selektiven Verdampfungsverfahrens vermie­

den. Bei den im üHV durchgeführten Messungen haben

sich Feldänderungen an der Oberfläche gegenüberidem

bulk-Material angedeutet.

Abb.2: Gemessene Aufspaltungsparameter am (3,5)

Dijod-l-Tyrosin 139 im TMV. Die ausgezogene

Linie ist eine unter Modellannahmen parame­

trisierte Titrationskurve, die an die Meßwer­

te angepaßt wurde.

Dr. G. Büche

J. Meyerhoff

J. Raudies

P. Wittek

Zur Erfassung von Unregelmäßigkeiten in der Quartär­

struktur des Virus soll der Debye-Waller-Faktor am

TMV gemessen werden. Zur Vorbereitung dieser Unter­

suchungen wurden Eichmessungen an NaJ durchgeführt

110701\.

höhung des pK-Wertes spricht für eine an der Hydro­

xylgruppe des Tyrosins 139 vorhandene Wasserstoff­

brücke. In Abb. 2 sind die Meßwerte und die angegli­

chene Titrationskurve wiedergegeben. Aus dem Verlauf.

dieser Kurve kann auf die Unabhängigkeit der einzel­

nen Wasserstoffbrücken am Tyrosin 139 in den verschie­

denen Untereinheiten des TMV geschlossen werden.

10wern,Cl

98

0.8

Mitarbeiter: Prof. Dr. H. Appel

T. Krüger

Dr. H. W. Müller

DP R. Mogharrab

R. Pesl

Dr. W.-G. Thies

1.8 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Kernstrah­

lung und Atomhülle

-6-

Im Rahmen der Anwendungen der Mössbauer-Methode auf

biologisch interessante Moleküle wurden die Unter­

suchungen am Tabak-Mosaik-Virus (TMV) fortgeführt.

Bei diesen Arbeiten werden die Eigenschaften des Iso­

tops JI29 ausgenutzt. Beobachtungsgrößen sind die

Quadrupolaufspaltung und die Isomerieverschiebung.

Speziell interessiert die Bindung des Tyrosins 139 im

TMV. Durch Beobachtung der Quadrupolaufspaltung als

Funktion des pH-Wertes war es möglich, den pK-Wert

der Hydroxylgruppe des (3,5)-Dijod-l-Tyrosins 139 im

TMV zu 7.33 ± 0.15 zu bestimmen. Er ist gegenüber dem

freien jodierten Tyrosin um etwa 0.8 erhöqt. Diese Er-

CN{

1.2

Im Zusammenhang mit den Messungen der zirkularen Pola­

risation einer y-Strahlung an FI8 zum Nachweis neu­

traler Ströme wurde der hier gebaute Analysiermagnet

an den Meßort (Max-Planck-Institut in Mainz) über­

stellt. Dort vorgenommene Messungen nach der Reaktion

0 18 (p,n) F I8 litten an hohem Neutronenuntergrund. Da­

her wurde die Ionenquelle auf He3 zur Beobachtung der

Reaktion 016 (He3 , p) FI8 umgestellt. Die Spektren ge­

statten nunmehr eine ausreichend energetische Abtren­

nung der fraglichen y-Linien. Die eigentlichen Unter­

suchungen mit der auf Ge(Li)-Detektoren umgestellten

Apparatur haben begonnen.

Abb.l: Shape-Faktor des 0+ +0+ Übergangs C134+s34

I!,

:I

-7-

2. Mittelenergiephysik

2.1 Experimente mit gestoppten Hadronen

Das Experimentierprogramm mit gestoppten Pionen,Myo­

nen und Antiprotonen am SIN und am CERN wurde fortge­

führt. Erstmalig stand dafür am SIN das erweiterte

rrEI-Areal zur Verfügung, das für Messungen mit Flug­

zeitneutronenzählern benötigt wird. Parallel zu den

Experimenten ging die Auswertung früherer Messungen

weiter und brachte folgende Resultate.

ten erstmalig die Verschiebung (~Is) und, die Breite

(f 1s) des I s-Niveaus im pionischen 3He (Abb. I) be­

stimmt werden (11139; 10685). Es ergab sich: ~Is =

(43 ± 5)eV; fis = (42 ± 14)eV. Erstmaligkomite bei

einer Messung am 3He die Fehler so weit reduziert

werden, daß'Vergleiche mit verschiedenen Voraussagen

möglich sind.

.03'131.!Il I,V

Abb. I: oben: Target gefüllt mit 3He

unten: leeres Target

Am Myonenkanal des SIN wurden die Testmessungen zur

Bestimmung der Paritätsverletzung neutraler Ströme

abgeschlossen. Es stellte sich heraus, daß mit den

jetzt erreichbaren ~-Intensitäten eine Messung des

Effektes noch nicht möglich ist. Während der Test­

messungen wurden jedoch zwei neue Methoden ent­

wickelt, die für die Anwendung von ~--Atömen sowohl

in der Kernphysik als auch in der Festkörperphysik

von großem Interesse sind 1 114511 (1). Zirku-

larpolarisation

eines ~--Atoms

polarisation

ein

I.) Im pp-System wurden erstmalig stark Hinweise auf

die Existenz tiefgebundener (einige 100 MeV Bindungs­

energie) Zustände gefunden 1114901. Überraschend ist

ihre relative Langlebigkeit (Breite <30 MeV), die den

bisherigen Vorstellungen über die Stärke der Annihi­

lationsreaktionen zu widersprechen scheint. Für die

Kernphysik liegt die Bedeutung solcher Messungen im

Vergleich zu dem NN-System, das nur einen gebundenen

Zustand -das Deuteron- aufweist. In der Elementarteil­

chenphysik werden diese Zustände als exotische Meso­

nen interpretiert, bei denen die starke Kopplung der

Zustände an das NN-System überrascht. Es wird vermu­

tet, daß damit erste Hinweise auf kompliziertere

Quark-Strukturen, z.B. auf ein Diquark-Antidiquark­

System, gefunden sind. Die Experimente sollen mit ei­

nem verbesserten Aufbau, der eine Erhöhung der Signi­

fikanz der Daten und erste Aussagen über die Zerfalls­

kanäle der Zustände erlaubt, weitergeführt werden.

2.) Bei der Auswertung des (rr-,2n)-Experimentes (GERN)

wurde neben der Untersuchung der Quantenzahlen der ab­

solvierenden (n,p)-Paare 110609 1insbesondere die Fra­

ge behandelt, aus welchen Schalen die Nukleonen absor­

biert werden. Für die p-Schale konnte dabei gute Über­

einstimmung der gemessenen Separationsenergien mit

CFP-Rechnungen für 2-Nukleonen-Transfer gefunden wer­

den. Die gemessene Population der einzelnen Zustände

weicht hingegen beträchtlich von den berechneten Ko­

effizienten ab und läßt den Einfluß pion-spezifischer

Reaktionsmechanismen erkennen 1 11057 I. Ein Vergleich

der gemessenen Separationsenergien für die (n, p)­

Paare mit Separationsenergien für Protonen aus (p,2p)­

Messungen zeigt überraschende systematische Parallele

110676 I·

gen relevante Vergleiche ermöglichen 10921 • Aus ei­

ner Messung am hochintensiven Pion-Strahl des SIN konn-

3.) Messungen von Energieverschiebungen und Lorentz­

breiten von Röntgenlinien pionischer Atome liefern

Information über die rr-Kern-Wechselwirkung. Besonders

interessant sind solche Messungen an extrem leichten

Kernen, weil dort ein direkter Vergleich mit mikros- die P-'~C'latr]_S~lrlLon

kopischen Rechnungen möglich ist. Andererseits sind

die Effekte dort so klein, daß nur sehr genaue Messun-

-8-

Zirkularpolarisation in ~-Atomen. Es wurden die Ele­

mente Se und Pd untersucht. Der Vergleich der Resul­

tate am Pd mit entsprechenden ~SR-Daten zeigt eine er­

hebliche Diskrepanz, die auf eine Hyperfeinfeldanoma­

lie im Pd hindeuted [10917; 1070ZI (11). Der koinzi­

dente Nachweis zweier Röntgenquanten des gleichen

myonischen Atoms erlaubt nicht nur sehr präzise Aus­

sagen über den Ablauf der ~-Kaskade im Atom, sondern

es wird zusätzlich ein praktisch untergrundfreies

Spektrum erzeugt. Diesen Vorteil kann man zur Messung

von intensitätsschwachen Übergängen ausnutzen. So ge­

lang es z.B. im myonischen 97Mo den sehr schwachen

ZSZp -Übergang mit großer Genauigkeit zu messen. Aus

seiner Linienstruktur läßt sich das Quadrupolmoment

des Kernes modellunabhängig mit bisher nicht erreich~

ter Präzision bestimmen. Die Daten sind in der Aus-

\Vertung.

Im vergrößerten Pion-Areal am SIN \vurde mit der voll­

ständig aufgebauten Apparatur die ersten Teilchen­

spektren am Kohlenstoff und Sauerstoff gemessen. In

Koinzidenz mit einern Neutron \vurden die Energiespek­

tren von Protonen, Deuteronen und Tritonen bestimmt.

Wegen der guten Energie -(4% bei 50 MeV Teilchenener­

gie) und Zeilß.uflösung(300-400 psec) der Zähler kön­

nen die Teilchen sauber voneinander getrennt werden.

Aufgrund seiner großen WinkelakZeptanz ist das System

für kinematisch vollständige Experimente und für

Messungen an dünnen Targets (Gas oder isotopen reine

Targets) besonders gut geeignet. Als nächstes Target

soll daher das besonders interessierende 3He gemessen

werden.

Mitarbeiter: Prof. Dr. H. Koch

Dr. P. Blüm

DP M. Dörr

Prof. Dr. D. Engelhardt

Dr. W Fetscher

DP D. Gotta

DP R. Guigas

C. Heck

DI M. Meyer

DP H. Poth

DP B. Richter

Dr.L. Simons

DI G. Schmidt

Prof. Dr. H. Ullrich

W. Wrazidlo

DP P. Zsoldos

Z.Z Anwendung kernphysikalischer Meßmethoden in Biolo­

gie und Medizin

Im Jahre 1977 wurden die Untersuchungen zur Eignung

von Pionen für therapeutische Anwendungen am biome­

dizinischen Pionenkanal rrE3 des Sch\veizerischen In­

stituts für Nuklearforschung (SIN) fortgesetzt. Die

Anwendung von negativen pionen in der Strahlenthera­

pie ist aufgrund eines günstigen Verhältnisses von

Tiefen- zu Oberflächendosis erfolgversprechend. Die

vorteilhafte Dosisverteilung beruht sowohl auf der

Existenz des Braggpeaks als auch auf dem zusätzli­

chen Beitrag durch den Energieverlust von Sekundär­

teilchen, die nach der Absorption von gestoppten

negativen Pionen an Kernen des Gewebes (vor allem an

Kohlenstoff, Sauerstoff, Calcium und Stickstoff) ent­

stehen.

Zwei Schwerpunkte wurden dabei in unserer Arbeit ge­

setzt:

1. Die Energiespektren von geladenen Teilchen (Pro­

tonen, Deuteronen, Tritonen, 3He , 4He und Lithium­

kernen), die nach der Absorption von gestoppten

negativen pionen an Kohlenstoff, Sauerstoff und

Calcium emittiert werden, wurden gemessen. Die

genaue Kenntnis der Energiespektren ist in zwei­

facher Hinsicht wichtig: einmal lassen sich da­

raus Schlüsse auf die zu erwartende Verteilung

der Werte für den linearen Energietransfer (LET)

ziehen, der seinerseits die relative biologische

\,irksamkeit (RBW) mitbestimmt; andererseits läßt

sich daraus die Lokalisierbarkeit der Energieab­

gabe ermitteln. Die Messungen der Energiespektren

wurden an für Absorptionsexperimente sehr dünnen

(ca. ZO mg/cmZ) Polyäthylen-, Hostaphan-Polycellu­

loseacetat- und freitragenden Calciumfolien aus­

geführt. Die gemessenen Energien reichen von 0.5­

100 MeV. Zur Messung der Energien und zur Tren­

nung der Teilchenarten dienten fünf Zählertele­

skope aus jeweils einern zoo ~m dicken silicium­

Oberflächensperrschichtzähler und einern NaJ­

Kristall (~ 50 mm x 50 mm) bzw. einern intrinsic

Ge-Zähler (450 mmZ x 34 mm). Für ein Zählertele­

skop, das 1 m vorn Target entfernt war, wurden

neben Energieverlust und Energie auch die Fl~g­

zeiten der Teilchen für den si- und NaJ-Kristall

gemessen. Die benutzten Vieldetektor-Anordnung

erlaubt zugleich die Suche nach Teilchenkorrela­

tionen. Die Auswertung der Kohlenstoffspektren

ist abgeschlossen. Die gemessenen Spektren wur­

den rechnerisch sowohl auf Verluste an Teilchen

als auch auf den Energieverlust der nachgewiese­

nen Teilchen in den endlich dicken Targets korri­

giert.

Abb. 1 zeigt die gemessene Zahl von Sekundärteil­

chen pro MeV und gestopptem pion als Funktion der

Energie für die verschiedenen nachgewiesenen Teil-

-9-

chenarten.

,J20 30 40 50 60 70 80 90

ENERGY (1'IEV)IOD

<Loc­U>

5<L'-

~ 10'

:J

--"WTC

10"o 10

_1~_L-~-.l,_~_L --'--I~---'-~_L

~ E W ~ ~ ro w ~ 100ENERGY (l1EVJ

10-5 L-~-"---~--'--~---'-~_L-._~~--'--~---'----t_L_J--_

o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100ENERGY (1'IEV )

10" oL-~~)0~-2LO~-3~0~-4LO~-5~0~-6LO~-7~0~~8LO~-9~0~--'1 00

ENERGY [MEV)

10" oL-~fl0~--C:2LOU1L_3::'0~-4LO~-5.J.0~~6LO~-7.J.0~~8LO~-9.J.0~-' ...J)00

ENERGY (1'IEV)

Abb.l: Die Energieverteilungen von Protonen, Deuteronen, Tritonen, 3Hej 4He und

Lithiumkernen, die nach der 'Absorption von 'negativen Pionen an einem für,

Absorptionsexperimente sehr dünnen (20 mg/cm2) Polyäthylentarget emittiert

werden. Die Absorption der pionen findet praktisch ausschließlich 'am;Koh-,

lenstoff des Targets statt. Die gemessenen

wohl auf Verluste an Teilchen als auch auf

wiesenen Teilchen in den, endlich dicken

ten Spektren sind als durchgezogene Kurven

Aus der Gestalt der Spektren können eine Reihe von

Schlüssen gezogen werden, die für die Pionentherapie raschend große Anteil von' nieder'enLer'gE,ti,s(~hE!rt

2.0

2.5

polyethylenetargetlcp-n~

8-1760

145 147momenlum IMeV/ci

143141

1.5

Abb.2: Die Zahl der n-y-Koinzidenzen pro gestopptem

pion als Funktion des Anfangsimpulses der

pionen. Die Auftragung zeigt die hohe Empfind­

lichkeit des Meßverfahrens gegenüber Impuls­

änderungen

von etwa 10 - 20 rad erforderlich, um die Reichwei­

te der pionen in einem Patienten auf ± I mm genau

zu bestimmen. Abb. 2 .demonstriert die große Empfind­

lichkeit dieser Methode. Aufgetragen ist die Zahl

Dr. H. Matthäy

G. Mechtersheimer

D. Münchmeyer

G. Przybilla

H. Randoll

der n-y-Koinzidenzen pro gestopptem pion als Funk­

tion des Anfangsimpulses der Pionen. Impulsänderun­

gen von nur 5 MeV/c entsprechend einer Reichweiten­

änderung von ~I cm äußern sich bei der im Experi­

ment gewählten realistischen Geometrie in Zählen­

ratenänderungen von 50 %.

Mitarbeiter: Dr. W. Kluge

Dr. H. Amols (Gast, Los Alamos)

Dr. G. Büche

A. Höhne

K. Kärcher

U. Klein

Außerdem wurden 1977 Vieldraht-Proportional- und

Driftkammern gebaut, die an dem neuen biomedizini­

schen Kanal des SIN für die Messung der Strahleigen­

schaften eingesetzt werden sollen.

teilchen und Lithiumkernen mit ihrer kurzen Reich­

weite von hoher biologischer Wirksamkeit, während

der erhebliche Anteil von hochenergetischen Wasser­

stoffkernen die Lokalisierbarkeit der Energieab­

gabe beschränkt. Die Arbeit an einem Rechenprogramm,

bei dem diese experimentell gewonnenen Daten zur

Berechnung von LET-Spektren und Tiefen-Dosis-Ver­

teilungen benutzt werden sollen, wurde 1977 eben­

falls fortgesetzt.

-10-

2. Am SIN wurde eine Reihe von Experimenten zur ex­

ternen Visualisierung der TI--Stoppregion durchge­

führt. Auf Grund der Ergebnisse dieser Unter­

suchungen soll eine Anordnung gebaut werden, mit

deren Hilfe bei Bestrahlungen von Patienten die

Eindringtiefe der pionen kontrolliert werden kann.

Drei verschiedene Reaktionskanäle, die nach der

Absorption von gestoppten negativen pionen zur

Emission von neutralen Endprodukten (Neutronen,

Photonen) führen, wurden auf ihre Eignung als

Reichweiten-Monitor untersucht. Die Untersuchungen

wurden auf neutrale Endprodukte beschränkt, da nur

diese außerhalb des Patienten nachgewiesen werden

können. Zunächst wurde die Vernichtungsstrahlung

von Positronen mit einer Anger-Kamera nachgewie­

sen. Die Positronenstrahler Il c, 13N, 150 ent­

stehen im Experiment durch Kernreaktionen von pio­

nen an Sauerstoff und Kohlenstoff eines Polymethy­

lenoxidtargets (CH20)n' Als Vorteil dieser Methode

muß angesehen werden, daß zu ihrer Anwendung dem

Patienten keine zusätzliche Dosis zugemutet wer­

den muß. Andererseits eignet sich diese Methode

hauptsächlich für eine Überprüfung des Bestrah­

lungsfeldes nach bereits erfolgter Bestrahlung,

die eine Korrektur, allerdings erst für die

nächste Dosisfraktion, ermöglicht. In einer wei­

teren Untersuchung wurden die hochenergetischen

Photonen (E > 30 MeV) aus dem Strahlungseinfangy-von pionen an Kohlenstoff und Sauerstoff in einem

Plexiglastarget nachgewiesen. Dazu wurde eine An­

ordnung benutzt, die aus einem Bleikollimator

(Schlitzbreite 1.5 mm) und einer zweidimensionalen

Vieldraht-Driftkammer (250 x 250 mm2) bestand.

Diese und die noch zu beschreibende dritte Methode

eignen sich zur in-beam-Überwachung. Als Nachteil

der zweiten Methode muß der hohe Beitrag an Unter­

grund angesehen werden. In einem dritten Experiment

wurde die n-y-Winkelkorrelation der Strahlungsein­

fangreaktion TI p+ny am chemisch gebundenen Wasser­

stoff eines Polyäthylentargets gemessen. Die Appa­

ratur bestand aus einem großen NaJ-Ktistall zum

Nachweis der 130 MeV Photonen und aus einem Flüs­

sigkeitsszintillator vom Typ NE 213 zum Nachweis

der 9 MeV Neutronen. Bei dieser praktisch unter­

grundfreien Koinzidenzmethode ist eine lokale Dosis

-11 ~

pp ...... pp 390 MeV Preliminory

PSAI19761.,.., ... "'y-:/-:"- 77:-,..,. ',"":'__ /_/;..,:...L":"<-(..'-/-i; ~

fTRIUMF 325MeV

~O.Chamberlain et 01

fOur points 310MeV

~ TRIUMF 515 MeV

f Our points

®

®pp-pp 310 MeV, Pretimi.nary'

pp-pp 490 MeV Preliminory

®

5°

05

05

0.1

-0.1

-02

-0.3

D. Schmidt

F. Stabl

H.P. IValther

2.3 Protonenstreuexperimente am SIN

Am polarisierten 600 MeV Protonenstrahl wurden·die

Messungen 1109181 der Polarisationsparameter P, D, R

und A bei kleinen IVinkeln abgeschlossen und:die Daten

zum Teil ausgewertet. Die vorliegenden Ergebnisse

1106901,1109801,1109871,1115561 bei vier Energien

zwischen 310 und 590 MeV stimmen mit einer verbesser­

ten Streuphasenanalyse überein (Abb. I). Im gleichen

Energiebereich wurde der Spinkorrelationspatameter

CNN gemessen. Ferner wurde die Information untersucht,

die von der Messung der Pi6nproduktion über ;+;+rr ++d

mit polarisiertem Strahl und polarisiertem Target zu

erwarten ist 1115431..

Am 50 MeV Protonenstrahl wurde ein Experime~t zum

Nachweis paritätsverletzender Anteile bei der p+p­

IVechselwirkung mit einer relativen Genauigkeit von

etwa JO-7

begonnen. Gemessen wird hierbei d~e A~­

hängigkeit des totalen Streuquerschnitts von der Heli­

zität des Protonenstrahls. Mit einern von Karlsruhe

beigetragenen Polarimeter konnten besonders kritische

Fehlergrößen nachgewiesen und studiert (Abb.2) sowie

erstmalig systematische Untersuchungen zur Verbesse­

rung der polarisierten Ionenquelle am SIN durchgeführt

werden.

Eine Analyse 1114121 früherer Daten über die Reaktion14 15 .

N(d,p) N be1 50 MeV wurde abgeschlossen.

Mitarbeiter: Dr. eh. IVeddigen

0.5

pp_pp 590MeV Preliminory

1590MeV Cur points

f600MeV Surko

~ 635MeV Cubna

Abb.l :

-12-

Abb.2: Profile der Intensität und der Transversalpo­

larisation des longitudinal polarisierten

50 MeV Protonenstrahls flir das Paritätsexperi­

ment am SIN.

Tn: =79,3 MeV102

) "-

102

) '-... \ •••. ...

101 \~....... ...

F .... ·~ ..102 ..: '. •0.., ~ ...·114.3 MeV0.. . ."

.... ... '\,r-w-..~... """""', 162.6 ~ev• •" ....

•••.... ..,. 240.2 MeV

•.. ""'.... .++'" ~ LJ+~t~ 1t;~i'I!r' '

2 3

t Messung: 1I Messung: 5

-3 -2 -I 0X [mmJ

.....L

QQt(/)-..

0 .00 E-001(D

,I Py <l:--J

-005 ~

~b:s

100

2.4 TI-Streuexperimente am SIN

Das 1976 begonnene Forschungsprogramm wurde 1977 wei­

tergeflihrt und eine Reihe von Fragen der elastischen

und inelastischen TI-Streuung eingehend untersucht. Bei

der elastischen Streuung:

1) die Energieabhängigkeit der TI+_ 160Streuung im Ge­

biet der (3,3) Resonanz,

Abb.l: TI+_ 160-Streuung als Funktion der TI-Einschuß­

Energie

kungsquerschnitts als Funktion der TI-Energie. Der

Einfluß der (3,3)-Resonanz kommt in der zunehmenden

Tiefe des ersten Minimums des Wirkungsquerschnitts

bei ca. 160 MeV deutlich zum Ausdruck.

2) der Vergleich von TI+ und TI- Streuquerschnitten in

Abhängigkeit von der TI-Energie und der Masse des

Targetkerns .

16 183) Die Untersuchung des Isotopenpaars 0 - O.

1. 160 ist als leichter, doppelt magischer Kern mit

sehr gut bekannter Wellenfunktion vorzliglich geeignet

flir den Test verschiedener TI-Kern Streutheorien. Des­

halb wurde die elastische Streuung an diesem Kern be­

sonders sorgfältig gemessen. Soweit mit der Meßzeit

verträglich, wurde hohe statistische Genauigkeit an­

gestrebt, und es wurden eine Reihe von möglichen Meß­

fehlern systematisch untersucht. Die Verwendung von. + 16

Wassertargets ermöglicht die Norm~erung der TI - 0

Wirkungsquerschnitte auf gut bekannte TI-p-Streu-Daten.

Abb.l zeigt das Verhalten des differentiellen Wir-

2. Der Vergleich von TI+ und TI- differentiellen Wir­

kungsquerschnitten, der zum ersten Mal mit dem TI-Spek­

trometer am SIN möglich wurde, ist flir das Verständ­

nis innerer und äußerer Coulomb-Effekte im Atomk~rn

wichtig. Ein quantitatives Verstehen dieser Coulomb­

Effekte ist andererseits notwendige Voraussetzung,

um äußerst interessante Kernstruktur-Informationen

(z.B. den Unterschied zwischen der Protonen und Neu-+

tronendichteverteilung im Kern) Zu extrahieren. TI -TI

Vergleichsmessungen wurden deshalb an den Schalen­

modellkernen 160 , 40Ca und 208pb bei mehreren Ener­

gien vorgenommen. Die Ergebnisse sind Abb.2 und Abb.3

zu sehen; Abb.2 zeigt die drastische Zunahme der

Coulomb-Effekte mit größerer Kernmasse. In Abb. 3 er­

kennt mart 2 Effekte. Erstens, ein Verschieben der

Diffraktionsminima (TI- zu kleineren Winkeln).

-13-

Abb.3: Vergleich von TI+ und TI-Streuung 'an 40Ca als

Funktion der TI-Energie

d6 [mb]d.n lAB sr

'« .., '

10 2

• rr +- 40Ca--0- tr-

T1T =115 MeV102 \ o rr- - 40Ca

-.- '11'+o~.

101 \ '0

08 .

103~\ V\ Tn ·115.9 M,v

150 "'"' ~

102 L

10 2 ~

~a5'9""0(J) '6-- e ...... ...0

E e '10•103 \ ~.!~ +tf+CO 0

101

<{..8 00 ~--l e i· 't TTi: =163.3 MeVe • •c: 102 •

o~~~1:l 0-- •10

390;. b ~A

1:l 'b

'0 \\'-'

10100 '& • 9?Ca d' <ß • ?'0

\<ß t•

102

\~+ . 10°°o~ TTt = 241 MeV000

...10-1 ••

101 208

Pb 0 30 60 ,90 120e LAB (degrees)

103,- -,

Abb.2: Vergleich von TI+ und TI-Streuung als Funktion

der Masse des Targetkerns

Zweitens, bei TI-Energien unterhalb der (3,3)-Resonanz.

(ca. 180 MeV) verlaufen die Minima der TI- Wirkungs­

querschnitte flacher als die der TI+ Querschnitte,

oberhalb der Resonanz ist es umgekehrt. Beide Coulomb­

Effekte sind bis jetzt nur qualitativ verstanden.

3. Selbst ohne Detailke~ntniss~derCoulomb-Effekte

kann man in einigen Fällen versuchen,. Unterschiede

zwischen der Protonen- und Neutronenverteil~ng in Ker­

nen zu beobachten, nämlich mit Hilfe von Differenz­

messungen an Isotopenpaaren. Ein solches Paar ist

160_180 . Da man weiß, daß die Protonen- und ,Neutro­

nendichteverteilungen in 160 und die Protonenvertei­

lungen in 160 und 180 gleich sind, kann.man aus

+ ,'80 '0lf - 15'o +

20 40 60 80

GLAß (degreesl

Abb.4: Streuung von TI+ an 160 und 180

100 120

1d',--------------------,

,genüber den äußeren Valenzneutronen in 180 wieder

(s. Abb.4 und 5). Die Daten werden zur Zeit einer

sorgfältigen Analyse unterzogen.

1Ö'

1T-"O 0

- 16o +

T'IT =163 MeV

Bei der inelastischen TI-Streuung lag der Sc~werpunkt

auf:

I) der Suche nach MI Übergänge, die durch TI-Streuung

selektiv angeregt werden sollen.

2) Der Beobachtung von Unterschieden zwischen der

inelastischen TI+ und TI- Streuung, die Aufschluß ge­

ben können über Neutronendeformationsparameter im

Vergleich zu Protonendeformationsparametern.

18L---'-----.J;n-..l.--4Q.L----'--60L---'-----.J80-..l.--m.l----'--12L

O----.J

8LAß (degrees)

Abb.5: Streuung von TI- an 160 und 180

I. Nachdem Messungen der Neuchatel-Gruppe am SIN ge­

zeigt haben, daß der 15,1 MeV (J=I+, T=I)-Zustand in

12C entgegen theoretischen Vorhersagen nur sehr

schwach angeregt ist, wurde die Anregung anderer MI­

Übergänge (3,56 MeV-Zustand in 6Li und 2,14 MeV-Zu-

604.31 2.18 0.0

to 3~ 0 1+.0

- 6 L'1f "" I

3.56

tIiT1T =241 MeV o~ 1

c 40 8 1ab =53 0

~::J0Ll

'0'-(lJ

.Q

E::JC

20

Channel number

Abb.6: Spektrum von TI an 6Li aufgeno~nen unter elAn= 530

bei 241 Mev

TI+ - TI Vergleichsmessungen (nach Abzug der Coulomb­

Effekte) Information über die Neutronenverteilung in

180 bekommen. Da im Gebiet der (3,3)-Resonanz das

positive pion im wesentlichen nur mit dem Proton, das

negative pion nur mit dem Neutron wechselwirkt, er­

wartet man geringe Unterschiede in den TI+-Wirkungs­

querschnitten für 160 und 180 , aber größere Unterschie­

de in den TI- Wirkungsquerschnitten. Diese letztere

spiegeln die Empfindlichkeit der negativen pionen

stand in 14N) bei mehreren Streuwinkeln und TI-Ein­

schuß-Energien untersucht. In beiden Fällen ,vurden

ebenfalls keine nennenswerten Anregunge~ gefunden

(s. z.B. Abb.6). Diese Ergebnisse sind theoretisch

sehr interessant.

2. Unterschiede zwischen der inelastischen TI+ und

TI Streuung wurden bei den Anregungen des 3-Zustan­

des in 208pb (kollektive Anregung) und des 2+ und 3-

-15-

G.S.

80

3(2.6Me

70EO

1ft ••

11' '" 208 Pb 1f - • 0

50

TlT = 115.9 MeV

40

e lab (degrees)

30

Cl

20

o.~

e•o•

10

Abb.8: Elastische. und inelastische rr-Streuung an208pb

(~~) 2

10

Dr.J. Bolger

Dr.Q. Ingram

DP L. Pflug

Mi tarbei ter: Prof .Dr.E .Boschi tz

Neben der Durchführung des Forschungsprogramms wur­

den im letzten Jahr eine ganze Reihe von technischen

Verbesserungen am SpekLrometer vorgenommen: Unter­

suchung der Transmisd.on des Spektrometers zur ab­

soluten Bestimmung seiner Raumwinkelakzeptanz, Ent­

wicklung und Einbau von zwei 2m-langen Fokalebenen­

Detektoren (Voraussetzung für Messungen der tief­

inelastischenStreuung im nächsten Jahr), Verbesse­

rung der on-line Datennahme, Entwicklung von off-line

Rechenprogrammen zur schnelleren und systematischen

Datenauswertung, Konstruktion eines flüssigen Sauer­

stofftargets.

3. Hochfrequenzsupraleitung3.1 Supraleitender Linearbeschleuniger

Das wichtigste Ergebnis im Berichtzeitraum war das

erfolgreich abgeschlossene Beschleunigungsexperiment

mit dem Teillinac, bei dem 5 supraleitendeWendel­

sektionen, 3 supraleitende Quadrupoldubletts und ein

o 1(+.

lf- 0

Tlf =163 MeV

'Tf-

G.S.

103-.---------------'------,

110

o

(d CY) 10

dn LAB

. (~~) lO'~

Zustandes in 180 (Eir.ceilchenanregung) beobachtet. Die

großen Unterschiede zwischen den rr+ und rr- Winkelver­

teilungen für den 3-Zustand in 208pb lassen sich auf

~

o

Abb.l: Elastische und inelastische rr-Streuung an .180

die ausgeprägten Coulomb-Effekte inder elastischen

Streuung zurückführen. Sowohl im Fall der rr+ wie auch

der rr-~Streuung folgen die inelastischen Winkelve~­

teilungen der Blair-Phasenregel für Zustände natür­

licher Pari tät (Abb. 7). Ein ganz anderes Verhalten

liegt bei der inelastischen Streuung an 180 vor. Nicht

die Minima der rr+ - rr- Winkelverteilungen sind gegen­

einander verschoben, sondern die integrierten Wir­

kungsquerschnitte zeigen' Unterschiede (Abb. 8). Für

den 2+Zustand ergibt sich ein Verhältnis cr(rr-)/ cr( rr+)

= 1,3, für den 3- Zustand cr (rr+)/cr(rr-) = 1,2. Diese

Meßergebnisse geben möglicherweise einen ersten direk­

ten Hinweis auf Unterschiede zwischen den Deforma­

tionsparametern von Neutronen und Protonen. Eine zu­

verlässige Aussage ist jedoch erst nach detaillierten

mikroskopischen Rechnungen möglich.

Ö20L-'----l20--'---4LO---'-6~0---,-'----::870---',--1::-00=--'--=120

GLAB (degrees)

-16-

supraleitender Alvarez-Resonator eingebaut waren. Der

Platz für die noch fehlenden 4 Wendel sektionen und

3 Quadrupole wurde durch eine Driftstrecke überbrückt.

Die E~perimentierzeit betrug etwa 1200 h und er­

streckte sich von Ende Oktober bis Mitte Dezember 1977.

Der Beginn des Linacbetriebes verzögerte sich erheb­

lich durch das Auftreten von Kaltlecks. Die wich­

tigsten Betriebserfahrungen könnencwie folgt zusam­

mengefaßt werden:

I. Nachdem die Kryostatanordnung bei Raumtemperatur

dicht war (Leckraten 6 x 10-8 Torr i/sec bzw. <10-9

Torr i/sec) gab es keine kryo- oder vakuumtechnischen

Schwierigkeiten während des Kaltfahrens und während

der gesamten Experimentierzeit von etwa 1200 h. Die

Kaltfahrzeit für die jetzige 8 m lange Kryostatan­

ordnung (1800 kg V2A, 300 kg Nb) betrug 63 h, dann

war stationär 1,8 K-Betrieb mit 600 1 Hell bei un­

verändert guten Vakuumbedingungen erreicht.

2. Erstmals konnten mit der phasensynchronen Beschleu­

nigung durch 3 Wendelsektionen Erfahrungen gesammelt

werden. Der Energiezuwachs entsprach dabei den Be­

rechnungen, die Endenergie des Protonenstrahles be­

trug etwa 2 MeV.

Vor dem Beschleunigungsexperiment war der Injektions­

abschnitt, der Strahlweg durch den Kryostaten und die

Strahlführung bis zum Energienachweis optisch vermes­

sen und justiert worden. Eine Nachmessung der longi­

tudinalen und transversalen Emittanzen am Beschleu­

nigereingang ergaben dieselben Werte wie vor 3 Jahren:

bis zu 40 % analysierte Protonen lassen sich bei 90}lliz

in 220 lange Pakete komprimieren. Für die normierten

transversalen Emittanzen nach dem Pulserzeugungssystem

wurden 1,3 bzw. 2,7 cm mrad gemessen. Nach diesen

Vorbereitungen gelang es im Beschleunigungsexperiment

ohne Schwierigkeiten den Protonenstrahl durch den

Kryostaten und bis zum Energienachweis zu bringen. Die

Fokussierung innerhalb des Kryostaten mit den supra­

leitenden Quadrupolen funktionierte bei kleinen Strahl­

strömen problemlos. Nach oben waren wir bei etwa 15~A

begrenzt, weil zur überwindung der jetzt noch vorhan­

denen Driftstrecke zwischen Wendeln und Alvarez wei­

tere Quadrupole benötigt worden wären.

3. Die supraleitenden Wendel sektionen erreichten Feld­

stärken zwischen 1-2 MV/rn, d.h. 70-110 % des Entwurfs­

wertes. Zuvor waren alle Wendelsektionen im Labor­

kryostaten bei Heliumtemperatur durchgemessen worden.

Nach wiederholten Oberflächenpräparationen erreichten

die Wendelsektionen W3 bis W 10 elektrische Spitzen­

feldstärken zwischen 14 MV/rn und 21 MV/rn und lagen

damit oberhalb des Entwurfswertes. Die Hochfeldgüten

lagen zwischen 0,6 und 1,3 x 108 . Die folgende Tabelle

gibt die Laborwerte und die Werte aus dem letzten Be­

schleunigungsexperiment wieder (Stand Dezcember 1977).

ßollfeld Labor Labor Linac

MV/rn Güte/108MV/rn "lV/rn

WI 0,97 1,0 1,06 1,06

W 2 1,44 0,30 1,66 1,44/1,02

W 3 1,71 1,0 1,85 I 1,31

W 4 2,37 0,9 2,23 2,26

W 5 2,37 1,2 2,13 2,14

W 6 2,37 0,7 2,70 -W 7 2,37 0,8 2,91 -W 8 2,37 1,3 3,19 -W 9 2,37 0,7 2,73 -

WI0 2,37 0,6 2,58 -

Trotz monatelagen Montage- und Prüfarbeiten zur Be­

seitigung der Kaltlecks, mehrerer Kaltfahrzyklen, di­

versen Belüftungen und teilweise schlechten Vakuum­

bedingungen erreichten die Wendelsektionen W I bis W 5

im Beschleunigungsexperiment noch mindestens 70 % des

Entwurfswertes für die Feldstärken. Bemerkenswert ist

dabei das Ergebnis an W I, die vor etwa 2 Jahren zum

letzten Mal präpariert worden war und nach wie vor

über dem Entwurfswert liegt. Die mit W 2 erreichbare

Feldstärke verringerte sich jedoch sprunghaft im

Laufe des Versuchs, deshalb sind in der Tabelle beide

Werte angegeben. Das Heizen mit Hochfrequenz (20 -

30 W) beim Abkühlen hat sich bewährt,' hinterher las­

sen sich Multipactoring-Schwellen in den Wendelsek­

tionen leichter überwinden.

4. Der 5zellige Alvarez-Resonator für 5,8 MeV Proto­

nen war i~ Laborkryostaten getestet worden und brach­

te Beschleunigungsfeldstärken von 2,2 MV/m bei einer

Güte von 2 x 109(10610, 10611, 11380). Nach dem Ein­

bau in den Linac wurden praktisch dieselben den Ent­

wurfswerten entsprechenden Werte erreicht und im

Dauerbetrieb über 330 h aufrechtgehalten. Der Fre+

quenzsprung von der Wendelfrequenz 90 KHz zur Alvarez­

frequenz von 720 MHz wurde erstmals erprobt.

5. Die Hf-Versorgung des Linac gliedert sich in die

Eigenfrequenzstelleinrichtungen für 90 MHz-Wendeln,

die Hf-Regel anlagen für die 90 MHz-Wendeln und den

720 MHz-Alvarez und die jeweils zugehörigen Leistungs­

verstärker. Im Beschleunigungsexperiment wurden 4 kom­

plette Eigenfrequenzstelleinrichtungen, jeweils be­

stehend aus dem PIN-Diodentuner, der Digitalsteuerung

und der Stromversorgung, betrieben. Die ersten drei

waren in Eigenfertigung erstellt worden, der 4. Tuner

-17-

als erster von 6 industriell gefertigten Tunern arbei­

tete im Synchronbetrieb bei voller Leistung ohne Bean­

standungen. Das gleiche gilt für den Prototyp der

neuen Digitalsteuerung, die ebenfalls in Eigenferti­

gung erstellt wurde. Durch ein neues digitales Steue­

rungskonzept konnten hier eine erheb~iche Anzahl Bau­

elemente eingespart und die Betriebssicherheit erhöht

werden. Neben den SLuon vorhandenen 2 Hf-Regelanlagen,

jeweils bestehend ~us einer Amplituden- und P~asen­

regelung, kamen im Beschleunigungsexperiment 2 neue

Hf-Regelanlagen zum Einsatz, die mit Hilfe der Elek­

tron'kwerkstatt als erste von 8 weiteren gebaut wor­

den waren. Der Synchronbetrieb bei voller Leistung

verlief erfolgreich, somit können die anderen Hf­

Regelanlagen in Kürze ferti 6gestellt werden.

Neben diesen Arbeiten wurde eine neuartige Hf-Schal­

tung entwickelt, die es erlaubt, den externen Koppel­

f~ktor und damit den TunersteIlbereich stetig zu ver­

ändern. Da der Stellbereich fast 2 Größenordnungen

beträgt, konnte dieser Hf-Transformator dazu verwen­

det werden, die normal leitende Wendel an die Sender­

impedanz anzupassen. Damit kann jede Wendel bei Nor­

malleitung für Oberflächenbehandlungszwecke in situ

aufgeheizt werden.

Während die unter I. bis 5. beschriebenen Erfahrungen

den Betriebsfortschritt des Linac dokumentieren, sol­

len zum Abschluß einige Schwierigkeiten im Berichts­

zeitraum kommentiert werden:

I. Die erhebliche Zeitverzögerung d4rch das Auftreten

von Kaltlecks ist zum großen Teil auf die Schwierig­

keiten bei der Leckortung zurückzuführen. Die Kryo­

stateinbauten mußten in Teilräume zerlegt und jedes­

mal kalt- und warmgefahren werden.

2. Die Maximalfeldstärken einiger Wendelsektionen

wurden durch zahlreiche Belüftungen und schlechte

Vakuumbedingungen offenbar doch beeinflußt. Nachbe­

handlungen der supraleitenden Oberflächen sind not­

wendig.

3. Die Injektorhochspannung wurde nach mehrjährigem

Betrieb defekt. Keramikkondensatoren und Metall­

schichtwiderstände des in öl befindlichen 750 kV­

Meßwiderstandes waren in größerer Anzahl zerstört.

Eine notdürftig durchgeführte Reparatur mit vorhandenen

Bauteilen sicherte wenigstens den Strahlbetrieb beim

Beschleunigungsexperiment. Es zeigte sich jedoch, daß

eine Generalüberholung des Injektors fällig ist.

4. Die ersten 3 IFI Leistungsverstärker (1 kW, 90 MHz)

zeigten im Berichtszeitraum erhebliche Mängel. Weitere

Verstärker wurden daher bei einer anderen Firma be-

stellt. Die 3 inzwischen gelieferten Geräte sind bes­

ser ,als spezifiziert und wurden bereits eingesetzt.

Die Serienproduktion des Stellgliedes (6 Stück) nach

unseren Mustern verlief nicht reibungslos.' Nachdem

mit erheblicher Lieferverzögerung die erd te Tuner­

Einzelreaktanz geliefertuncl geprüft'war; mußten in

intensiver Zusammenarbeit mit der Industrie die Fer­

tigungsmängel am Stellglied und, an der Stromversor­

gung beseitigt werden.

Mitarbeiter: Dr. M. Kuntze

P. Grundel

W. Heckfuß (K)

H. fle,z (K)DI R. Hietschold

A. Hornung (Uni Karlsruhe)

Dr. W. Kühn

H. Latz

B. Messerschmidt

N. Münch

H. Oppermann

G. Redemann

P. Schlick (Fremdpersonal)

Dr. D. Schulze

G. Westenfelder (Uni Karlsruhe)

nr. K. W. Zieher

teilweise: Dr. A. Brandelik

U. Fe ißt

F. Graf (K)

D. Hamdi

M. Rutz

H. Schittenhelm (K)

F. Schürrer

R. Vincon

H. Zimmermann

(K) Kryoentwicklungs-Personal

3.2 Supraleitender Teilchenseparator

Im Berichtszeitraum wurden mehrere Messungen an

aus 5 Teilstücken zusammengesetzten Nb-Deflektore~

durchgeführt. Dabei wurden Güten erreicht, die um

einen Faktor 2,5 über dem geforderten Sollwert lagen,

während die Feldstärken bei 60 % bzw. 70 % des Soll-

wertes begrenzt waren. Trotz eingehender Untersuchun­

gen zu den Feldinhomogenitäten und verbesserter ObeF­

flächenbehandlungen • bei denen u. a. staubfreie Bedi,n­

gungen l ) geschaffen wurden, konnten diese Werte nicht

überschritten werden.

Das endgültige Gesamtsystem lvurde im August einem

Dauertest über 300 h unterworfen. Danach erfolgte ,

der Aufbau in Karlsruhe und der Transport ,zum CERN,

r·-L---l-.--..L,'---I'---r-L,-_.J.L..---21.00 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100

number of fringes

-18-

Abb.l: Nb-Deflektor mit zugehörigem He-lI-Kryostaten

vor dem Einbau im Teilchenstrahl

11"-

,ft, \, I

t tI ~I I, I, ,I TI II I, ,+ ~, 'I t K, ,, \ ,,,, \ I \, \, \, \, ,

I ~ ~ \

I \J'\~

p

,'\.I \I +, II 1I II IJ II •I I

IIIII1

tII

~1I,,IIII

wo der Separator im Oktober/November in den dafür

vorgesehenen Teilchenstrahl eingebaut wurde. Am 13.De­

zember konnten die Deflektoren mit Hilfe der CERN­

Kälteanlage auf 1,8 K abgekühlt werden. Dabei wurden

folgende Werte für Güte und Feldstärke .erreicht:

Qo Hp Eo

DI 2.2 109 185 G 1,2 MYl/m (60 % Sollwert)

DU 1.8 109 220 G 1,4 MYl/m (70 % Sollwert)

In den zwei darauffolgenden Tagen konnte der Einsatz

mit Teilchenstrahl erfolgen: die Separation wurde bei

16, 26 und 37 GeV/c Teilchenimpuls durchgeführt und

entsprach voll den Erwartungen. Die Anreicherung des

Strahls betrug etwa ein Faktor 25 gegenüber dem ur­

sprünglich vorgesehenen Faktor 10. Das Gesamtsystem

arbeitete überaus zufriedenstellend und sehr stabil.

Mit der Abnahme, die für Februar 1978 vorgesehen ist,

wird das Vorhaben abgeschlossen. Neben den experimen­

tellen Arbeiten wurden theoretische Untersuchungen zu

multiperiodischen Ablenkstrukturen 1111421 und zu Feld­

verteilungen in vielzelligen Kavitäten durchgeführt

Abb.2: Intensität von rr , Kund p in einem Teilchen­

strahl von 16 GeV/c mit und ohne Separator.

Die rr--Intensität wird durch den Separator

um mehr als einen Faktor 25 reduziert

und zum Abschluß gebracht. In Zusammenarbeit mit dem

Institut für heiße Chemie und mit CERN in Genf wurde

die Oxydbildungund die Sekundäremission von Nb-Ober­

flächen bei verschiedenen Behandlungsarten IESCA ­

bzw. Auger-Spektroskopie 1 untersucht 1115451.

Mitarbeiter: Dr. H. Lengeier (CERN)

H. Budig

Dr. G Dammertz

R. Dittmann

D. Ewert

Dr. M. Grundner

Dr. W. Hauser

L. Husson

F. Kröner

R. Lehm

H. Skacel

-19-

3.3 Supraleitende NachbeschieunigungV6n Ionen

Nach Abschluß des Testbetriebs an der Prototypstrecke,

die das Institut für Kernphysik im Max-Planck-In­

stitut für Kernphysik in Heidelberg errichtet hatte,

erarbeitete die Gruppe> eine detaillierte Studie. Die

Ergebnisse dieses Berichts (KfK 2541) lagen dem }WI

im Mai 1977 für eine Bauentscheidung vor. Mit diesen

Resultaten I~rden die 1975 in bezug auf Leistungs­

fähigkeit und Kosten der Anlage formulierten Vor­

stellungen (KfK 2141) vollauf bestätigt.

Mitarbeiter: Dr. J. Vetter

Dr. B. Piosczyk

Dr. G. Hochschild

3.4 Studie supraleitendes Elektronenmikroskop

Die hohen erreichbaren Hochfrequenzfeldstärken in

supraleitenden Resonatoren oberhalb 5 GHz lassen

sich sinnvoll zur Feldemission einsetzen, wobei die

gewählte Frequenz von 18 GHz zu den erwünschten kur~

zen Elektronenpaketen führt. Erste Erprobungen der im

Berichtszeitraum aufgebauten Meßapparatur zur Aus­

messung einer Quelle zeigten die Funktionsfähigkeit

des Aufbaues im Prinzip. Der Aufbau besteht aus ei­

nem Einsatz für einen Standard-Kryostaten mit Hohl­

leitern zur Mikrowelleneinspeisung und Kabeln zur

Durchführung von Ablenkspannungen durch das Helium­

bad sowie der üblichen Ausrüstung zur Vakuum- und

Kryotechnik. Die zentrale Einheit bildet die Quelle,

die aus einer Niobiumkavität mit einem Stempel be­

steht. In dem Stempel wurde eine Holframspitze einge­

drückt. Die Holframspitze dient als Kathode, die Anode

wird von einer Blende, ~ 0.2 mm, gebildet. Zur Her­

stellung der Spitzen mit einem Spitzenradius von unter

0.2 jlm wurde ein Fertigungsaufbau mit elektronischer

Abschaltautomatik aufgestellt. Für die Halterung der

Nadeln wurde nach erfolgreichen Versuchen mit Laser­

schweißen die einfachere Methode; bei der die Nadel

von 0.2 mm ~ in ein 0,1 mm ~ Bohrloch eingedrückt wur­

de, gewählt. Eine Meßzelle mit zwei Faraday-Käfigen

und einem Ablenkplattensystem I~rde ebenfalls ent­

wickelt und gefertigt aber noch nicht ausprobiert.

Zur Festlegung der optimalen Energie eines möglichen

supraleitenden Mikrowellen-Mikroskopes wurden Ver­

lagerungsraten von Atomen durch Elektronen in Simul­

tat ionsexperimenten mit Reaktormaterialien berechnet

110451 I. Heiterhin wurde eine Studie begonnen,

um die Verwendbarkeit eines Höchstspannungsraster­

elektronenmikroskopes als Mikrobestrahierzu unter-

suchen.

Abb.l: Feldemissionsspitze aus Hclframdraht geätzt,

0.3 jl Spitzenradius (Aufnahme mit Rasterelek­

tronenmikroskop)

Mitarbeiter: Dr. C. Passow

DP R. Jäger

Prof. A. Strojnik (Gast bis 31.8.77)

3.5 Beschleunigungstechnik

Die Entwicklung von supraleitenden Beschleunigungs­

strukturen im Hinblick auf die Anwendung bei Spei­

cherringen, also bei Frequenzen unter I GHz, wurde

fortgesetzt. Dazu konzentrierten sich die Arbeiten

auf folgende Schwerpunkte:

1. Messungen an 700 MHz-Resonatoren.

Es wurden zahlreiche Messungen an einem Izelligen

Iris-Resonator durchgeführt, der für eine Protonen­

energie von 230 MeV, also eine Teilchengeschwindig­

keit ß = vlc = 0.6 konzipiert war. Dabei wurden so­

wohl Hf-Feldstärken und Güten, als auch die durch

Bremsstrahlung der im Resonator durch das Hf-Feld

ausgelösten Elektronen erzeugten Röntgenspektren ge­

messen. Durch die Elektronenbelastungwurde

schleunigungsfeldstärke auf Eacc = 2.2

sprechend einer Oberfläche~feldstärke

begrenzt (Abb. 1) .

Die Analyse der Ergebnisse ergab,. daßdieBegrenzung

durch zlo/eisei tiges multipacting erster Ordmmg be­

wirkt wurde. Daraufhin wurde ein zweiter Iris-Reso­

nator mit einer verlängerten Beschleunigungsstrecke

entsprechend ß = 1, versehen. Das Meßergebnis (Abb.2)

-20- TII

2. Vorbereitung eines Experiments in DORIS.

Die Fertigstellung eines zweizelligen, ß = 0.6 ­

Slotted-Iris-Resonators war durch Schweißnahtrisse

Eine Vorrichtung zum Elektropolieren geschlossener

Resonatoren mit kleinen Öffnungen \vurde fertiggestellt.

3. Hf-Speichersystem.

Über das Konzept des DORIS-Experiments wurde in ei­

nem Vortrag bei CERN berichtet! 11492 I.

Bereits für später notwendige gleichzeitige Einkopp­

lung in mehrere einzellige Resonatoren wurde ein

Koax-Einkoppelsyatem entworfen und ein entsprechen­

des Meßmodel1 gebaut.

Die Einkopplung der großen Hf-Leistung, die für den

Speicherring-Strahl benötigt wird ( ~ 25 kW), stellt

ein besonders kritisches Problem dar. Es wurde durch

Messungen an einem 1:1 - Kupfermodell des Resonators

mit Hilfe eines Feldtransformators und angekoppelter

He-gekühlten Koppelschleife gelöst.

Die unter I. beschriebenen Ergebnisse sind die Basis

fUr das Konzept zu einem 500 MHz-Testresonator, der

im Jahr 1979 im Speicherring DORIS bei DESY, Hamburg,

eingesetzt werden soll. HierfUr wurde die Resonator­

geometrieberechnet, das KUhlprinzip ausgearbeitet

und das Herstellungsverfahren festgelegt. KUhlver­

suche mit Niobrohren, die durch Diffusionsschweißen

mit Niob-Blech verbunden wurden, wurden abgeschlossen

mit dem Ergebnis, daß pro cm Kühlrohr bei einer Tem­

peraturerhöhung von 1 K 0.1 W abgeführt werden kön­

nen. Da zu einer Anwendung dieses Zwangskühlungs­

Verfahrens, das im Prinzip sehr erfolgversprechend

scheint, noch weitere technologische Vorversuche und

Messungen an Resonatoren nötig sind, \vurde es für

den ersten DORIS-Resonator zugunsten der bewährten

Badkühlung zurückgestellt.

verzögert worden, deren Ursache untersucht und be­

seitigt wurde. Erste Messungen zeigten dieselbe

Elektronenbelastung wie bei der ß = 0.6 - Iris; der

Resonator wird jetzt dazu verwendet, den Einfluß

schnell variierender Feldamplituden auf das multi­

pacting durch Schwebung der Hf zwischen den beiden

Zellen zu untersuchen.

Ein Meßplatz für die Untersuchung der Obermode-Aus­

kopplung wurde aufgebaut. Theoretische Überlegungen

zur Anregung von Obermodes wurden weiter vorangetrie­

ben.

Theoretische Überlegungen und Analogmodellmessungen

zu einem Hochfrequenz-Speichersystem wurden begonnen.

2 8 EplMVIml

hst~ClSutemenl

r--~; ollerldoyHe-processil'lg ~-----f------I------­olter 3d?S He-ptocessing

106!------!1------,2!-------:!------4:-cE-,,,-,"IM":V""",;;j"-;St-'I

Abb.2: GUte als Funktion der Feldstärke in einem ein­

zelligen 700-MHz-Iris-Resonator mit ß = v/c =1.

Die gleichzeitig gemessene Röntgenintensität

ergab eine gegenUber Abb. I um einen Faktor 1000

verminderte Elektronenintensität. Die Begren­

zung ist jetzt vermutlich durch einseitiges

multipacting bedingt.

Abb. 1: GUte als Funktion der Feldstärke in einem

einzelligen 700 MHz-Iris-Resonator mit

ß = v/c = 0.6. Die gleichzeitig gemessenen

Röntgenspektren erlauben den Schluß, daß die

Feldbegrenzung durch zweiseitiges multipac­

ting erster Ordnung gegeben ist, was sich

durch einen charakteristischen Sprung in der

GUte ausdrUckt.

I06t------+------j-----H

10'Ot--~--+-----+----t-f

· --

4 EJMVfrnlS

zeigt, daß hierdurch 'das zweiseitige multipacting un­

terbunden, die Elektronenintensität um einen Faktor

1000 verringert und die Feldbegrenzung auf Eacc4.4 MV/m, entsprechend E = 8.8 MV/m verdoppelt wer~

pden konnte. Resonatoren dieses Typs, vergrößert auf

eine Resonanzfrequenz von 500 MHz, wUrden mit diesem

Ergebnis bereits die Endenergie von PETRA von 23 auf

30 GeV erhöhen.

-21-

Hierbei soll die Hf-Energie in einem supraleitenden

TE-Resonator gespeichert werden und nur für kurze Zeit

eines bunch-Durchflugs' in einen angekoppelten normal­

leitenden Beschleunigungsresonator fließen; um einen

schnellen Energietransport durch Schwebung zu erzielen,

muß die Resonanzfrequenz des normalleitenden Resona­

tors durch Dioden geschaltet werden. Anforderungen an

die Dioden wurden abgeschätzt und mit Diodenherstel­

lern diskutiert.

4. Linearb€"chleuniger.

Über die Beiträge der Gruppe an der Vorbereitung und

der Durchführung der Linearbeschleunigerexperimente

wird an anderer Stelle berichtet I10610j ,I 10611 I,1113801·

Mita~beiter: Dr. W. Bauer

Dr. A. Brandelik

Dr. K. ~Iittag

, F. Schürrer

R. vineon

Dr. L. Szecsi

Dr. K. Yoshida (Gast von der Uni~

versität Tokyo)

3.6 Technologie supraleitender Oberflächen

Die unter diesem Arbeitstitel zusammengefaßten Akti­

vitäten sind auf die Verbesserung der erreichbaren

Hochfrequenzfeldstärken Ekrit und Bkrit und der Ober­

flächemqiderstände R von supraleitenden Resonatoren

ausgerichtet. Dazu wurden die Effekte von Inhomogeni­

täcen des oberflächennahen Supraleiters und des metall­

nahen Oxydes weiter analysiert, neue Nb3Sn-präpara­

tionsverfahren erprobt und die Effekte der Elektronen

in Hf-Resonatoren näher untersucht.

Im Berichtszeitraum 1977 wurden Schweiß- und Schmier­

mitteluntersuchungen an Niobresonatoren abgeschlossen.

Die Auswertung der Eindringtiefenmessung an supralei­

tendem Niob 110662; 115651 bewies eindeutig das Auf­

treten von Inhomogenitäten in Niob mit Tc-Werten zwi­

schen 5 und 7.2 K. Diese Ergebnisse weisen außerdem

darauf hin, daß Wechselfelder sol'che schwach supralei­

tenden Inhomogenitäten schnell aus dem thermischen

Gleichgewicht treibt. Diese Abweichungen vom Gleich­

gewicht spielen auch in Hf-Resonatoren eine wichtige

Rolle und können die beobachteten Frequenzabhängig­

keiten von Bkrit erklären 110849, 115651. Solche In­

homogenitäten existieren nicht nur in der Niobmatrix,

sondern auch die Nb-NbOx-Grenzfläche ist inhomogen,

wie mit ESCA~Messungen gefunden wurde I I 1272; 11545j.

Die Materialuntersuchungen konzentrierten sich 1977

auf Nb 3Sn 1106721. So konnte mit erhöhter Reaktions­

temperatur (bis 18000 C) Nb3Sn-Schichten von größerer

Korngröße hergestellt werden 111061; 111461. Trotz

der größeren Nb3Sn-Körner und der verschiedenen An­

laß- und Oxypolierzyklen konnten die Restwiderstände

R ~10-7 Q und kritischen Feldstärken Bk 't ~20 mTres r1

in unseren TMolO-Resonatoren bei 3 GHz nicht ver-

bessert werden. Diese Verhaltensweisen kann man durch

normalleitende Gebiete mit Tc <4 K erklären, die durch

Stufen in der R(T)-Abhängigkeit und durch eine R'(T,Brf)­

Abhängigkeit nachgewiesen wurden. Erste Eindringtiefen­

messungen für B > Bc2 bestätigten dieses Verhalten

durch Abwesenheit der Oberflächensupraleitung. Mit ei­

nem neuen Meßaufbau wurden zwischen 12 und 18 GHz

über 50 verschiedene Moden gemessen. Die Oberflächen­

widerstände bei 4,2 K waren dabei in guter Überein­

stimmung mit der BeS-Theorie. 'Die beiden UHV-Öfen des

Institutes zum Glühen von Nb-Teilen liefen im Berichts­

zeitraum ohne größere Störungen.

Die theoretischen Arbeiten zur Metall-Oxyd-Grenzflä­

ehen wurden fortgesetzt. So konnte gezeigt werden, daß

durch die Oxydbedeckung die elektrischen Hochfre­

quenzfelder Verluste hervorrufen, die in supraleiten­

den Resonatoren unterhalb I GHz die Restverluste do­

minieren 110673; 112701. Außerdem wurde gezeigt, daß

die Ladungen im Oxyd zusammen mit den Spiegelladungen

auf der Metall- oder Halbleiteroberfläche einen neuen

Kopplungs- und Verlustmechanismus für Phononen dar­

stellt 1116381. Arbeiten über das "electron loading"

in supralei tenden Resonatoren \qurde mi t Traj ektorien­

rechnungen und Feld- oder Sekundärelektronenemission

durch Oxyde fortgesetzt 1108501.

Mitarbeiter: Dr. J. Halbritter

H. Baumgärtner

Dr. S. C. Harris (cast)

Dr. P. Kneisel

DP W. Meyer

DP Iv. Schwarz

O. Stoltz

frequenz-Supraleitung

Nachdem 1977 der Nachweis der FUlnk'ti,orLsl:ü<:hl:i!~k,~it

des fertig ausgebauten

bracht worden war, wurde der 10.

mit dem Einbau von 5

Struktur und den peripheren Ei,nr'i<:hl:urlg"n v'6r'be,t~:il:et

Dazu war eine aufwendige Mo,nt,a~~e-

den komplizierten Kr'yostaten

schungen (s. Abb.l)

getretenen Kaltlecks

Abb.2: Blick auf einen der beiden HeII-Deflektorkrvo­

state des Hf-Teilchenseparators in der West­

halle des GERN. Im Vordergrund Strahlführungs­

magnete. Seitlich am Dom des Kryostaten die

Ankopplung an die Helium-Verbindungsleitu~g

zur Kälteanlage

Ein I 1/2-jähriger zufriedenstelIender Einsatz bei

der Entwicklung der s.l. Deflektoren innerhalb des

Instituts und die erfolgreiche Inbetriebnahme dieser

beiden je ca. 600 1 superfluides Helium fassenden

Großkryostate im GERN zeugen von dem inzwischen er­

langten hohen Standard im Bau von Großkryostaten.

Dies wird bekräftigt durch die Tatsache, daß hier

extreme Dichtheitsspezifikationen (superfluides He­

lium gegenüber dem Ultrahochvakuum der untergetauch­

ten und mit mehreren Hf-übertragenden Flanschungen

Separator-Projektgruppe und der GERN-Mannschaft vor­

bereitet und ging nach der Anlieferung der Kryostate

im Spätjahr reibungslos vonstatten (Abb.2). Die De­

flektorkryostaten wurden inzwischen bei einem ersten.

erfolgreichen Separations-Experiment mit Strahl am

SPS und mit der Omega-Nachweisapparatur erfolgreich

in Betrieb genommen.

Abb.l: Blick in den LINAG-Kryostaten entgegen Strahl­

richtung. Unten sichtbar 3 Beschleunigungs­

Sektionen und 3 Fokussierungsmagnete. Die HeII­

Versorgung dieser supraleitenden Beschleuni­

gungstests erfolgt individuell über eine oder

mehrere Verbindungsleitungen aus dem darüber­

liegenden Helium-Tank

~22-

tionsvakuum, welches den stationären Kälte- und Be­

schleunigerbetrieb unmöglich machte, gelang nach vie­

len Wochen konsequenter Prüfarbeit. Durch systemati­

sches Einkreisen und wiederholtes Kaltfahren von Kom­

ponenten innerhalb des Kryostaten mit der Linde-Kälte­

anlage konnte schließlich eine im Kalten leckende In­

dium-Dichtung als Ursache indentifiziert und der Scha­

den behoben werden. Der 10. Beschleunigertestlauf

konnte dann Ende 1977 mit betriebssicherem HeII-Kühl­

kreislauf über 7 Wochen stattfinden.

Die Arbeiten für den supraleitenden Hf-Teilchen-Sepa­

rator wurden mit Erfolg abgeschlossen. Im Berichts­

zeitraum fanden in den beiden 3m langen HeII-Badkryo­

staten 11 Deflektorexperimente im geschlossenen Kühl­

kreis mit der Messer Griesheim-Kälteanlage statt. Wei­

tere Arbeiten bei KfK betrafen die Vorbereitungen zur

Vermessung der Strukturachse der Deflektoren inner­

halb der Kryostate mit Referenz zum Strahl. Der Ein­

bau und regelungs technische Anschluß der beiden in

90 m Distanz zu betreibenden Kryostaten in den GERN­

1,8 K-Kühlkreislauf mit einer 300 \,-BOG-Refrigerator­

anlage und einem ca. 100 m langen Transferleitungs­

system und die Ausrichtung der Deflektoren innerhalb

des Strahles auf ± 0,3 mm wurde gemeinsam mit der

-23-

bestückten Niobdeflektoren) und exakte spannungsfreie

Lagerung, Justierung und Stellungsanzeige der 3 m lan­

gen Deflektoren bei allen Betriebsbedingungen zu er­

füllen waren.

Im Rahmen von Neukonzeptionen für die Hf-Supralei­

tungstechnologie wurde an einem inzwischen fertigge­

stellten Bauvorschlag für einen ca. 16 m langen,

4,5 K-refrigeratorgekühlten supraleitenden Ionen­

nachbeschleuniger mitgearbeitet, wobei die im Vorjahr

mit einem Prototypen am MPI/Heidelberg gewonnenen posi­

tiven Erfahrungen verwertet wurden.

Zur Kühlung und Kryostatkonfiguration s .1. T.es t-Kavi­

täten, welche am Elektronen-Positronen-Speicherring

DORIS/DESY im Rahmen einer CERN-DESY-Karlsruhe-Kolla­

boration eingebaut werden sollen, wurden erste Kon­

zepte entworfen.

Mitarbeiter: DI 10/. Lehmann

F. Graf

W. Heckfuß

W. Herz

P. Schittenhelm

-24-·

Veröffentlichungen des IK im Jahre 1977

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10450 MIKIRDITSIAN, M.Beobachtung von monoenergetischen Positronenbeim Zerfall dgs Kerns EU '52 •KFK-2438 (Maerz 77)Dissertation, Univ.Karlsruhe 1977

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10550 BONN-DESY-fREIBURG-KARL8RUHE-KOLLABORATIONHUBER, G.; (VORTR.)VergleiCh inelastischer Elektron- undPositronstreuung an 12C und 27AI.Fruehjahrstagung DPG, Tellchsnphyslk, Aachen,29.-31.Maerz 1977. Verhandlungen darDeutschen Physikalischen Gesellschaft, R.6,Bd 12( 1977) S.1062-63

10551 L~~Vl, P.; SCH:'lJDi, '..J.N~u~ Ergebnlsee d~, Polt0rm Modells fuer dieuA-S10ktropr0'.:lJK1ion,Fru~hjahrRtbJ~n~ UPG, r~llchgnphyslk. ~achen,

29.-31.Ma~rz 1077. V9rh~nJlunAen derDeutschen PhY9!k~1Ischen G~"aJlschRft, R.6,Bd 12(1977) 5,1065

10552 CCHN - COLLeGE DE FRANCE .. !lE:IDELBERG ­KARLSRUHE - KOLL~UORATIO~

.3PE,~GLER, J.; [VORTR. JEvld~nz fue~ eine scharfe RBsooanz imK-prr(plus minus) Kanal bol dnel' ~lass'J von2.26 GaV.FruBhjahrstagung DPG, Te!lchenphyslk, nachen,29.-31.Maerz 1977. Verhandlungsn derDButschen Physik.lischen Ges81lschaft, R.G,ßd 12(1977) S.1066-67

10553 KARL5RUHE - PISA - 8ERPUKHOV - WIEN ­KOI.LABORATIONKHUSGER, M.; [VO;nR.]Massung der Reaktion rr-p -)eta 0 bel hohenImpuI5u~bartraagan.

FruBhjahrBtegunQ DPG, Tellchonphyslk, Aachen,29.-31.Maerz 1~77. Verhandlun~9n derDoutsch~n Physikalischen G~s~llschaft, R.6,Bd 12(1977) S.1071

10554 CERN - COLLEGE OE FRANCE - HEIDELBERG ­KARLSRUHE - KOLLABORATIONHOfMANN, W.; [VORTR.}Ladungs- und TransvorsallmpulskompensatorenIn InelastlschenProton-Proton-Wechselwlrkungen.Frue.hjahrst"gung DPG, Tellchenphysl k, Aachen,29.-31.Maerz 1977. Verhandlungen der .Deutschen Physikalischen Gesellschaft, R.6,Bd 12(1977) S~1077

10555 ce RN - COLLEGE DE FRANCE - HEIDELBERG ­KARLSRUHE - .KOLLABORATIONISENBECK, w.; [VORTR.)Korrelationen zwischen Impuls~nalyslerten

SekundaerteilchPen In derProton-Proton-Wechselwlrkung bel hohenRaaktlonsenel'glen.Fruehjahrstagung DPG, Teilchenphysik, Aachen,29.-31.Maerz 1977. Verhandlungen derDeutschen Physikalischen Gesellschaft, R.6,Bd 12(1977) S.1077

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