Performance studies and improvements of a Time-of-Flight detector for isochronous mass measurements at the FRS-ESR facility

Abstract

At GSI Darmstadt the technique of Isochronous Mass Spectrometry (IMS) has been developed for direct mass measurements of exotic nuclides. In this method a cocktail beam of highly-charged ions is produced via projectile fragmentation or fission, separated in the FRagment Separator (FRS) and injected into the Experimental Storage Ring (ESR) operated in an isochronous mode. The mass of the exotic nuclei can be deduced from precise revolution time measurements by a time-of-flight (TOF) detector placed in the ESR. In the detector ions passing a thin foil release secondary electrons, which are transported to two microchannel plate (MCP) detectors in forward and backward directions by electric and magnetic fields. In this work the performance characteristics of the detector were investigated by simulations and by offline and online experiments and significantly improved. In particular the timing performance and the rate capability were measured and enhanced. The detection efficiency improvements developed in previous work were verified and the use of thinner carbon foils to increase the number of turns of the ions in the ring were implemented. This work also forms a basis for the development of a dual detector system for IMS in the collector ring at FAIR.In this work the main contributions to the TOF detector timing such as the transport time of the secondary electrons, the electron transit time through the MCPs and the method of determination of the event time from the MCP signals (event time determination) were analyzed and improved. The timing accuracy of the TOF detector was investigated by coincidence time-of-flight measurements. The timing uncertainty of a single branch of the detector with standard settings was measured in the laboratory with an alpha-source and amounts to sigma(branch)=48 ps. In an online experiment at the ESR using MCPs with 5 µm pore sizes the timing accuracy was measured as sigma(branch)=48 ps with a stable 20^Ne beam and sigma(branch)=45 ps with 238^U fission fragments. Those measurements were performed for the kinetic energy of the secondary electrons (K) equals 700 eV.To improve the transport time of secondary electrons the TOF detector was modified for higher values of electric and magnetic fields. An improved time spread sigma(branch)=37 ps was obtained in the measurements with alpha-particles using MCPs with 10 µm channel diameter for an kinetic energy of 1400 eV of the secondary electrons.The contribution from the transit time through the MCP channels to the time spread was investigated with alpha-particles as a function of different electron yields from the carbon foils. Using a higher thickness of the carbon foil timing is not improved significantly. Therefore, 10 µg/cm^2 is an optimum for the carbon foil thickness in the matter of efficiency and timing. In case of a foil with a Cs-compound on the surface, for which the number of secondary electrons is increased by a factor of 10, the timing was improved to sigma(branch)=27 ps (K=1400 eV).A newly constructed anode design improves the bandwidth of the MCP detector by a factor of 2 leading to a reduction in the width of the MCP signals by a factor of two to an improvement of the rise time by about 20%. The signal shape of the MCP detector influences the determination of the revolution times of the ions in the ring and thus the mass measurement accuracy.Due to the high revolution frequencies of the ions in the ESR (~2 MHz) a high rate capability detector is required. The rate acceptance of the MCP detector was improved in the offline experiments by a factor of 4 due to the larger number of channels of MCPs with 5 µm pore size.At each turn in the ESR the ions pass the foil and lose energy. According to simulations the decrease of the foil thickness by a factor of two allows to double the number of ion revolutions in the ring. To store ions for a longer time in the ESR a thinner carbon foil with a thickness of 10 µg/cm^2 and MCPs with a 5 µm channel diameter were installed in the TOF detector and used for the first time in the online experiments. The results of the experiments measured with 10^Ne^10+ stable beam and 238^U fission fragments were compared to the results of the previous experiments. In the previous experiments a carbon foil with a thickness of 17 µg/cm^2 coated with 10 µg/cm^2 of CsI on both sides, which caused a calculated energy loss of 86 keV (86^As^33+, 386.3 MeV/u) and MCPs with 10 µm pore size were used. For the carbon foil of 10 µg/cm^2 the calculated energy loss is 31 keV, that is a factor of 2.7 less than for the thicker foil. Summing up the results, with thinner carbon foil and higher rate resistance MCPs with 5 µm pore sizes in the TOF detector up to ten times more ion revolutions in the ring were observed. With larger number of turns in the ring one increases the detection efficiency and the mass measurement accuracy. Die Isochrone Massenspektrometrie (IMS) wird im Fragmentseparator (FRS) und Experimentier-Speicherring (ESR) des Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) Darmstadt zur präzisen Messung von Kernmassen genutzt. Die IMS ermöglicht den Zugriff auf Nuklide mit Lebensdauern bis hinunter zu einigen zehn Mikrosekunden und besitzt eine Massengenauigkeit in der Größenordnung von bis zu 10^-6. Hierbei werden exotische Kerne bei relativistischen Energien via Projektil-Fragmentation und -Spaltung am Eingang des FRS produziert, im Fluge räumlich getrennt und im Speicherring gespeichert. Zur Kompensation der breiten Impulsverteilung des Ionenstrahls bei genauen Frequenzmessungen wird der Ring in einem isochronen Modus betrieben. Dieser spezielle Ring-Modus führt dazu, dass Ionen mit einem identischen Masse-zu-Ladungsverhltnis gleiche Umlauffrequenz im ESR besitzen.Die Massen können dann aus präzisen Messungen der Umlauffrequenz abgeleitet werden. Dabei werden die zeitlichen Entwicklungen und Korrelationen der Umlauffrequenz der exotischen Kerne mit Hilfe eines Flugzeitdetektors im Innern des ESR gemessen. Im Detektor passieren die Ionen eine dünne Folie und lösen darin Sekundärelektronen durch atomare Wechselwirkungen aus, welche vorwärts und rückwärts gerichtet durch elektrische und magnetische Felder zum Mikrokanalplatten-Detektor (MCP-Detektor) transportiert werden.Im Rahmen der vorliegenden Dissertationsarbeit wurden die Eigenschaften des Detektors durch Computer-Simulationen untersucht und durch Online- sowie Offline-Experimente signifikant verbessert. Insbesondere wurden die Zeiteigenschaften und die Ratenfestigkeit experimentell gemessen und gesteigert. Die Verbesserungen der Nachweiseffizienz aus früheren Arbeiten wurde überprüft und die Verwendung dünnerer Kohlenstofffolien implementiert, um die Anzahl der Ionenumläufe im Ring zu erhöhen. Perspektivisch bildet diese Arbeit auch eine Grundlage für die Entwicklung eines Detektor-Systems für IMS im Collector Ring im FAIR.In der vorliegenden Arbeit die wichtigsten Beiträge wie Transportzeit von Sekundärelektronen, Durchlaufzeit durch die Mikrokanalplatten und die Methode zur Ereignis-Zeitbestimmung gemäß den MCP-Signalen analysiert und verbessert. Zudem wurde der Aufbau des TOF-Detektors fortwährend zur Verbesserung der Transportzeit der Sekundärelektronen für höhere Werte der elektrischen und magnetischen Felder aktualisiert. Eine verbesserte Standardabweichung von 37 ps erhält man mit 10 µm Kanaldurchmesser der MCPs und mit einer zweimal erhöhten kinetischen Energie von 1400 eV der Sekundärelektronen.Der mögliche Beitrag Elektronenausbeuten aus verschieden Foliendicken (10-37 µg/cm^2) wurde ebenfalls untersucht. Nachweislich verbessert die Benutzung dickerer Kohlenstofffolien nicht wesentlich die Zeiteigenschaften. Hieraus leitet sich ab, dass 10 µg/cm^2 das Optimum für die gesuchte Stärke der Kohlenstofffolien in Hinblick auf eine Verbesserung bei Effizienz und Zeiteigenschaften darstellt. Jedoch kann durch Verwendung eines anderen Materials die Anzahl der Sekundärelektronen um den Faktor 10 gesteigert und die Zeitgenauigkeit zu sigma(branch)=27 ps (K=1400 eV) verbessert werden.Zudem wurde ein neuartiges Anoden-Design für den MCP-Detektor konstruiert, um die Zeitmessung für die MCP-Signale zu optimieren. Letzt-endlich konnten Verbesserungen durch eine zweifach verkleinerte Signalbreite und ein Gewinn von etwa 20% in der MCP-Anstiegszeit erzielt werden. Aufgrund der hohen Umlauffrequenzen der Ionen im ESR (~2 MHz) ist ebenfalls eine hohe Ratenfestigkeit des Detektors erforderlich. Erfreulicherweise konnte die Ratenfestigkeit des MCP-Detektors um den Faktor 4 aufgrund der größeren Anzahl an Kanälen der Mikrokanalplatten mit 5 µm Porengröße verbessert werden.Bei jedem Umlauf im ESR verlieren die Ionen Energie beim Durchqueren der Folie. Gemäß den Simulationsrechnungen führt eine Verringerung der Foliendicke um die Hälfte zu einer in etwa doppelten Anzahl an Ionenumläufen im Ring. Zum längerfristigen Speichern von Ionen im ESR wurde eine dünnere Kohlenstofffolie [10 µg/cm^2] und MCPs mit einem 5 µm Kanal-Durchmesser im TOF-Detektor installiert. Danach wurden diese zum ersten Mal in Online-Experimenten verwendet.Fasst man die Teilergebnisse zusammen, ist zu konstatieren, dass durch dünnere Kohlenstofffolien und höhere Ratenfestigkeit durch MCPs mit einerKanalgröße von 5 µm im TOF-Detektor bis zu zehnmal mehr Ionenumläufe im Speicherring möglich sind. Nachweislich verbessern erhöhte Umlaufzahlen im Speicherring die Nachweiseffizienz und die Genauigkeit in der Massenmessung.