1

Energiemessung im Arc zu Halle A und C am Cebaf:

Energie:

Genauigkeit der Energiemessung: 2 10-4

nötig:

• Winkelmessung

Drahtscanner

Vermessung (Theodolit)

• Feldintegral

Referenzmagnet/NMR

Genauigkeit: 10-5

Bdlc

E

2

Energiemessung an MAMI

Dipol des RTM3 wird als Spektrometer benutzt

position monitor

(9.8 GHz TM110 cavity)

Genauigkeit: ± 140 keV ( ± 2 10-4 @ 855 MeV)

Energiestabilisation durch TOF Messung: 1 keV @ 855 MeV (1.2 10-6)

3

Andere Methode: e-p elastisch (Jlab, Hall A)

Messe Elektron- und Streuwinkel des Elektrons und Protons

Target: 10 -30 mm CH2

Detektoren: Si Streifen

Proton: fixiert auf 60o,

TOF Messung

Elektron: 9o – 41o

Cerenkov

Strahlenergie

Bereich: 0.5 – 6 GeV

Genauigkeit: Dp/p < 2 10-4

Alle drei Messungen stimmen überein!

Arc in Halle A&C, ep-Methode

4

Setup für polarisierte Elektronen (an MAMI):

826 nm

zirkular polarisiert

5

Termschema: („bulk“) GaAsP

I=3/2 Level ist entartet

max. Polarisation möglich: 50 %

in Realität: ~ 30 -40 %

0.3 eV

E

1.6 eV

k

3/2 1/2

1/2

1/2

-1/2

-1/2 -3/2

-1/2

3 1

jm

2/1S

2/3P

2/1P

1mlight j D

%5013

13Pmax

Conducting

band

6

ħw @ Eg

Pe= 50%

eF

eC

eV

evac

Polarisation wird verdünnt, < 50%

Photoemission aus „bulk“ Kristall

Pe= 0%

7

Band gap (verbotene

Zone)

Valenzband

Leitungsband Vakuum

Niveau

E

x

Cs, O(F)

Beschichtung

Oberfläche

Photoemission:

Cs-Coating setzt die Austrittsarbeit für die Elektronen herunter

8

„strained“ GaAsP: Entartung wird aufgehoben durch

Schichten mit verschiedenen Gitterkonstanten(z.B. 100 nm GaAs on GaAlAs)

induziertes elektrisches Feld hebt Entartung auf,

Übergang nur zu einem m-Niveau möglich (strain-induced splitting)

0.3 eV

E

1.6 eV

k

3/2 1/2

1/2

1/2

-1/2

-1/2 -3/2

-1/2

3 1

jm

2/1S

2/3P

2/1P

1mlight j D

%100Pmax

max. Polarisation möglich: 100 %

in Realität: 70-80 %, 8 C/Tag,Rekord:16 (Jlab: 3 Laser für 3 Hallen, gepulst)

9

High QE ~ 1-10%

Pol ~ 35-45%

Bulk GaAs

QE ~ 0.15%

Pol ~ 75%

Strained GaAs:

GaAs on GaAsP

100 n

m

Superlattice GaAs:

Layers of GaAs on GaAsP

QE ~ 0.8%

Pol ~ 85%

100 n

m 1

4 p

airs

GaAs-based Photokathoden

QE= Quantumeffizienz

= Anzahl emittierter Elektronen Anzahl Laserphotonen

10

Kontinuierliche Verbesserung der polarisierten Elektronenquelle

@ MAMI

Jahr

K. Aulenbacher

GaAsP,

5mA, 30%

strained layer Kathode

2mA, 75%

1997 Quelle im oberen Stockwerk,

2f Buncher: 40% Phasenakzeptanz

1998 Synchronlaser (gepulst)

90% Transmission

20mA, 75%, Superlattice

10mA, 75%

treal(12mA)=720h (+/-100)

treal(30mA)=520h (+/-80)

Lebensdauer:

(figure of

merit)

11

Bestimmung der Elektronenpolarisation Pe

bei kleinem E (i.a. vor der Beschleunigung):

• Mottstreuung

bei grossem E (i.a. vor dem Targetpivot):

• Moellerstreuung

z.B. MAMI-A1 und Jlab Halle C

• Comptonrückstreuung

z.B. Mami-A4, Jlab Halle A

12

Mottstreuung

Streuwinkel [deg]

Analy

sie

rstä

rke A

o

Shermanfunktion

elastische Streuung am Kern hängt vom Elektronenspin ab (transversal)

e.m. Wechselwirkung

enthält:

S L Term

~m [E x p]

nPAo

1,

oben-unten Asymmetrie

e S L

e

Au

nach oben

Wechselwirkung von m

mit magnetischem Feld,

welches im Coulombfeld

des Kerns erzeugt wurde

durch die Elektronbewegung

B

Spin aus Ebene

13

Mottmessung an MAMI

oben

Detektor

unten

S

messe Asymmetrie: du

du

NN

NNA

um instrumentelle (falsche) Asymmetrien zu vermeiden:

• messe mit beiden Spinrichtungen

• messe mit unpolarisiertem Strahl

14

Problem: Verdünnnung durch Vielfachstreuung im Target (Dicke t)

Messe Asymmetrien für verschiedene Targetdicken

tDNtDN

tDNtDNA

dduu

dduu

extrapoliere zu

Targetdicke t = 0

for Pe = 85 %

1% statistische Genauigkeit

für eine 5 Min. Messung

und 10 mA Strahlstrom

[mm]

15

9

7)90(:90 bei max. ,

)cos3(

sin)cos7( o

22

2

AA cm

cm

cmcmzz

)2cos()(1

sin

cos3

4 4

222

TBecmt

T

t

B

tcmzz

T

z

B

z

cm

cm APPAPPEd

d

Moellerstreuung: e – e

Møller (1931):

Target und Strahl longitudinal polarisiert

• Detektor: grosser Untergrund von Mottstreuung

- gestreutes und Rückstosselektron werden detektiert

- Kollimatorsystem

• Target: Fe (4mm)

ca. 4 T Feld entlang Strahl: Sättigungspolarisation = 8 %

(ältere Setups: pol. entlang Folie, weniger Magnetfeld nötig aber

Folie ist zum Strahl gekippt)

16

Setup:

Fe-Target

Solenoid Kollimator

Quadrupol

e

e

Strom

Hodoscope (14 Kanäle)

Bleiglas

Quadrupole:

- Ablenkung der nur wenig gestreuten Elektronen (1o)

- dienen als Energieanalysator

- 2 Quad‘s erlauben, dass das Detektorsystem bei verschiedenen

Strahlenergien fixiert bleibt

Detektoren:

- Bleiglas: e- wird gestoppt (E)

- Hodoscope: Korrelation zwischen linkem und rechtem Elektron

Unterdrückung von unkorrelierten Ereignissen

17

rechte Hodoscopekanäle

linke H

od

oscop

ekan

äle

18

Kollimatorsystem am Jlab, Halle C

(Baseldesign)

• Kollimatorsystem für saubere

Trennung von Strahl und

Untergrund

Leistung:

I=2mA, Pe= 70 %:

Statistik: 1 % in 5 min.

Systematik: 0.5% (früher 3 %)

(grösster Fehler: Levchukeffekt)

Signal zu

Rauschverhältnis:

1000:1

• Fernbedienung der beweglichen Schlitze

19

Moellerpolarimeter an MAMI

beam

• 75-80% Strahlpolarisation

• 5 min für eine Messung (+ Zeit für Strahleinstellung)

• 2% systematischer Fehler

• reduziert zu < 1% mit Hodoskope

• funtioniert auch bei 1.5 GeV

20

Comptonrückstreuung

Wirkungsquerschitt:

Q: linear polarisierte Photonen

V: zirkular polarisierte Photonen :

:

e

long

e

trans

P

P transversal pol. Elektronen

longitudinal pol. Elektronen

-symmetrischer

Detektor

für longit. pol. Elektronen, zirkular pol. Photonen, -symmetrischer Detektor

Asymmetrie bezüglich

Elektronenhelizität

+

+

21

Rückgestreute Photonen sind konzentriert in einem kleinem Konus,

in welchem die Analysierstärke gross ist.

E = 854.3 MeV

g = 0.6 mrad

kin = 2.41 eV

k‘max = 26.2 MeV

22

Compton Polarimeter in A4 Halle @ MAMI

Koinzidenz

NaI

max. P = 90 W

Länge der Kavität: 7.8 m

Interaktionszone: 2.7 m

Comptonrate: 60.5 Hz (2.6 kHz)

Untergrund: 125 Hz (18.6 kHz)

Signal/Rauschen: 1:2.1 (1:7.1)

23

keine Frequenzstabilisation nötig

aber: maximale Leistung kleiner als mit externer Kavität

• Interne Kavität (A4 Polarimeter)

Laser ist schon ein Fabry-Perot Interferometer

alle Spiegel

hochreflektiv

Methoden, die Laserleistung zu erhöhen

• Externe Kavität als Fabry-Perot (z.B. Jlab, Hall A)

bis zu 5000-fache Verstärkung

Frequenzstabilisation notwendig constg D w

24

Transmissionscomptonpolarimeter (A4)

S1, S2: Graphitstreuer für Sekundärelektronenproduktion & g Separation

M: Permanentmagnet, 3.2 % pol. Elektronen, gekühlt

C: konvertiert Photonen zu e - e+ Paaren Sekundäremission

für 5 min Datennahme: stat. 7%, syst. 2%