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IPM Ionisations Profil Monitor

Ein IPM (Ionisations Profil Monitor) wird verwendet um das Profil des Teilchenstrahls in Kreisbeschleunigern zu messen. Das Profil liefert Informationen, wie Form, Breite und Position des Ionenstrahls. Wird das Profil mehrfach während des Betriebes gemessen, so sind auch zeitliche Änderungen des Profiles, bzw. des Teilchenstrahles zu sehen. Da der IPM das Profil aus einer Projektion des Teilchenstrahles gewinnt, wird nur das Profil einer einzelnen transversalen Richtung (hor oder ver) gemessen. Deshalb ist es sinnvoll, 2 IPMs hintereinander im Beschleuniger einzubauen, um gleichzeitig das horizontale und das vertikale Profil aufzunehmen. Die Profilmessung via IPM ist ein nicht-strahlzerstörendes Meßverfahren.

Der Ionenstrahl läuft im SIS (Schwer-Ionen-Synchrotron) der GSI mit einer Frequenz von ca. 214 kHz um, bei Injektionsenergie. Dabei kann sich das Strahlprofil in Abhängigkeit der Beschleunigereinstellungen ändern. Beim “Kühlen” mit dem Elektronenkühler wird der Strahl fokussiert und das gemessene Profil verändert sich. Auch beim Beschleunigen des Ionenstrahles wird der Ionenstrahl fokussiert. Zur Optimierung des Beschleunigers und für weiterführende Erkenntnisse benötigt man ein sowohl zeitlich wie auch räumlich möglichst hoch aufgelöstes Ionenstrahlprofil. Der Ionenstrahl ionisiert beim Umlaufen im Beschleuniger die im Beschleuniger verbliebenen Restgase, in der Hauptsache Wasserstoff. Die dabei entstehenden Wasserstoffionen können durch Anlegen eines senkrecht zum Ionenstrahl ausgerichteten elektrischen Feldes abgesaugt und zu einem ortsauflösenden Teilchendetektor beschleunigt werden. Auf dem Teilchendetektor treffen die Restgasionen entsprechend dem Ionenstrahlprofil verteilt auf. Aus dem Signal des ortsauflösenden Teilchendetektors kann man nun mit einem Datenaufnahmesystem das Profil erfassen.

Der Teilchendetektor besteht beim IPM im SIS18 aus einem MCP–Phosphor Modul. Das heißt, die senkrecht zum Ionenstrahl abgesaugten Wasserstoffionen treffen zunächst auf ein MCP (Multi-Channel-Plate, Viel-Kanal-Platte). Für jedes, in die MCP Kanäle treffende Wasserstoffion, treten an der MCP Rückseite bis zu 1000 Sekundärelektronen aus. Mit Hilfe eines zweiten MCPs kann man die Anzahl entsprechend deutlich erhöhen, auf bis ca. 1.000.000 Sekundärelektronen. Diese an der MCP Rückseite austretenden Sekundärelektronen werden weiter zu einem Phosphorschirm beschleunigt, den sie beim Auftreffen zum Leuchten anregen. Auf dem Phosphorschirm ist dann ein Abbild aus Lichtpunkten sichtbar, welches der projizierten Wolke aus abgesaugten Wasserstoffionen bzw. dem Ionisationsprofil entspricht. Dieses Bild auf dem Phosphorschirm kann nun durch geeignete Lichtsensoren (Kamera, Photodioden, Photomultiplier, Restlichtverstärker, usw.) aufgenommen und an eine Datenerfassung weitergeleitet werden. Der IPM im SIS verfügt über 2 Auslesearten. Eine langsame aber räumlich hochauflösende CCD Kamera mit einer Bildrate von ca. 50 Bildern / Sekunde und einer Ortsauflösung von ca. 0,1mm. Die andere Auslese mit einem PMT Array (Photo Multiplier Tube Array) ist wesentlich schneller mit einer Bildrate von 1.000.000, bietet aber eine etwas geringere Ortsauflösung von ca. 1mm. Mit der schnellen Datenaufnahme können entsprechend schnelle Strahlprofiländerungen pro Ionenstrahlumlauf im Beschleuniger gemessen werden, die vorwiegend bei und nach der Injektion des Ionenstrahles in den Kreisbeschleuniger ablaufen. Dabei ist der Ionenstrahl im Allgemeinen aufgeweitet, mit großem Durchmesser, das heißt, die geringere Ortsauflösung spielt eine untergeordnete Rolle. Die langsame aber hochauflösende Datenaufnahme ist wichtig für Ionenstrahlbeobachtungen wenn der Strahldurchmesser klein ist, z.B. beim Kühlen mit dem Elektronenkühler, oder bei Beschleunigereinstellarbeiten, bei denen kleine und langfristige Profiländerungen stattfinden.