Deceleration of Antiprotons for High-Efficiency Accumulation at PUMA

Fischer, Jonas Ludwig (2024)
Deceleration of Antiprotons for High-Efficiency Accumulation at PUMA.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027379
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27379

Kurzbeschreibung (Abstract)

The PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) experiment at CERN seeks to determine the ratio of neutrons to protons in the nuclear density tail of stable and unstable isotopes, utilizing the ratio of annihilated neutrons and protons following the capture of low-energy antiprotons as a novel nuclear structure observable. The experiment relies on the efficient deceleration and accumulation of antiprotons in a Penning trap at CERN’s ELENA (Extra-Low ENergy Antiproton) ring and on storage times sufficient for transport and experiments at the ISOLDE (Isotope Separation On-Line DEvice) facility. The antiproton deceleration beamline and the cold field emission electron source designed, built and validated in this work are both used to control the kinetic energy of the antiprotons to allow for trapping and transport. Antiprotons were used to validate the beamline at ELENA and decelerated with a pulsed drift tube from a kinetic energy of 100 keV to (3898 ± 3) eV, reaching a transmission of (55 ± 3)%. The standard deviation of the energy distribution is (127 ± 4) eV, putting 88% of the antiprotons in an energy range suitable for trapping. Careful consideration with regards to the vacuum compatibility of all materials and of vacuum pumps makes a pressure of less than 10⁻¹⁰ mbar at the end of the beamline possible, necessary to suppress annihilations of antiprotons with residual gas molecules. In the PUMA experiment electrons will be co-trapped with antiprotons to provide cooling by Coulomb collisions, both after the initial trapping to reduce the antiproton’s kinetic energy further as well as during plasma manipulation. The cold field emission electron source built for this purpose produces a current of around 100 nA with an extraction voltage of less than 1 kV. One is used in the PUMA test trap, and two more have been built for the installation in the PUMA Penning trap assembly.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Fischer, Jonas Ludwig

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Deceleration of Antiprotons for High-Efficiency Accumulation at PUMA

Sprache:

Englisch

Referenten:

Obertelli, Prof. Dr. Alexandre ; Galatyuk, Prof. Dr. Tetyana

Publikationsjahr:

23 Mai 2024

Ort:

Darmstadt

Kollation:

xii, 109 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

15 Mai 2024

DOI:

10.26083/tuprints-00027379

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27379

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Das PUMA-Experiment (antiProton Unstable Matter Annihilation) am CERN zielt darauf ab, das Verhältnis von Neutronen zu Protonen im Kerndichteschweif von stabilen und instabilen Isotopen zu bestimmen. Dabei wird das Verhältnis von annihilierten Neutronen und Protonen nach dem Einfang von niederenergetischen Antiprotonen als neue Observable genutzt. Das Experiment beruht auf der effizienten Entschleunigung und Akkumulation von Antiprotonen in einer Penning-Falle am ELENA-Ring (Extra-Low ENergy Antiproton) des CERN und auf ausreichenden Speicherzeiten für den Transport und Experimente in der ISOLDE-Anlage (Isotope Separation On-Line DEvice). Die Antiprotonen-Entschleunigung-Beamline und die Feldemissions-Elektronenquelle, die im Rahmen dieser Arbeit entworfen, gebaut und validiert wurden, dienen dazu, die kinetische Energie der Antiprotonen zu kontrollieren, um das Einfangen und den Transport zu ermöglichen. Zur Validierung der Beamline bei ELENA wurden Antiprotonen verwendet, die mit einer gepulsten Driftröhre von einer kinetischen Energie von 100 keV auf (3898 ± 3) eV abgebremst wurden und dabei eine Transmission von (55 ± 3)% erreichten. Die Breite der Energieverteilung beträgt (127 ± 4) eV, womit 88% der Antiprotonen in einem für den Einfang geeigneten Energiebereich liegen. Sorgfältige Überlegungen zur Vakuumverträglichkeit der Materialien und der Vakuumpumpen ermöglichen einen Druck von weniger als 10⁻¹⁰ mbar am Ende der Beamline, der notwendig ist, um Annihilationen von Antiprotonen mit Restgasmolekülen zu unterdrücken. Im PUMA-Experiment werden Elektronen zusammen mit Antiprotonen eingefangen, um Kühlung durch Coulomb-Kollisionen zu gewährleisten, sowohl direkt nach dem Einfang, um die kinetische Energie des Antiprotons weiter zu reduzieren, als auch während der Manipulation des Plasmas. Die für diesen Zweck gebaute Feldemissions-Elektronenquelle erzeugt einen Strom von etwa 100 nA bei einer Extraktionsspannung von weniger als 1 kV. Eine solche Quelle wird in der PUMA-Testfalle verwendet, und zwei weitere wurden für den Einbau in die PUMA-Penning-Falle gebaut.

Deutsch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-273798

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik

TU-Projekte:

Alexander von Humboldt-Stiftung|FRA|AvH Prof. Obertelli

Hinterlegungsdatum: