Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4115
Abd El-Bary Dewidar. Mamdouh Mohamed
Development of a Cryogenic Target System with Optimal Access to Reaction Detectors
X, 116 S., 2004
Am COSY Beschleuniger des Forschungszentrums Jülich wird ein Flüssig-Wasserstoff-
Deuteriumtarget in den externen Experimenten TOF, GEM und MOMO eingesetzt. Durch
die Kombination eines eng kollimierten Strahles mit ≈1mm Durchmesser mit dem sehr
kleinen Target wird der Wechselwirkungsort auf wenige kubik Millimeter festgelegt. Um
Sekundärreaktionen auf ein Minimum zu reduzieren, sollte die Targetzelle so wenig
zusätzliches Material wie möglich zwischen eigentlichem Target und Detektor einbringen.
Deshalb wurden Targetzellen mit extrem dünnen Wänden über einen Galvanisierungsprozeß
hergestellt. Der bislang aus Kupfer gefertigte Kondensor besteht mittlerweile aus Aluminium.
Dadurch konnte der Materialaufwand von 100 g auf 20 g reduziert werden. Gleichzeitig
konnte die Zeit zum Abkülen des Kondensors von Zimmertemperatur (300 K) auf die
Temperatur flüssigen Wasserstoffs bzw. Deuteriums (ca. 16 K) von 52 auf 38 Minuten
verringert werden.
Das Verbindungsrohr zwischen Kondensor und Targetzelle wurde im Durchmesser von
16 mm auf 7 mm weiter verengt, wodurch 30% an Material eingespart werden konnte und die
Abkühlzeit des Wärmerohrs von ursprünglich 18 Minuten auf nunmehr 8 min verringert
wurde. Am Kondensor wurde ein Durchmesser von 16 mm beibehalten, um eine genügend
große Kontaktfläche zu gewährleisten. Das 7-mm-System hat geringere Wärmekapazität,
eine höhere Wärmeleitfäligkeit, fängt wegen der verkleinerten Oberfläche weniger
Wärmestrahlung aus der Umgebung ein und besitzt eine höhere Dampfgeschwindigkeit im
engeren Rohr, wodurch das System schneller und empfindlicher auf die geregelte Heizung
reagieren kann.
Sowohl für TOF als auch den in Aussicht gestellten WASA Detektor aus Uppsala wurde
ein Targetsystem mit einem 200 cm langen Wärmerohr (mit 7 mm Durchmesser) entwickelt
und mit den vier Standardgasen H2, D2, N2
und CH4 getestet.Um jeweils 9,45 l Gas bei 228 mbar von 300 K
auf die benötigte Endtemperatur abzukühlen, wurden Zeiten von 107, 200,
54 und 38 min erzielt. Auch hier zeigte sich der Vorteil des engeren Rohrdurchmessers : für
H2 wurde bei Verwendung eines 16 mm Rohrs eine Zeit von 320 min gemessen gegenüber
nur 107 min bei einem Durchmesser von 7 mm. Kennkurven wurden für die drei Gase H2,
N2 und CH4 unter Gleichgewichtsbedingungen aufgenommen. Der Einfluß von
Arbeitstemperatur und Wärmebelastung auf die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer
und Kondensorende des Verbindungsrohrs einerseits und die effektive thermische
Leitfähigkeit andererseits wurde untersucht.
Es wurde ein Weg gefunden, die Temperaturschwankungen der Kühlmaschinen von 0,4
K auf ca. 0,14 K zu reduzieren, was insbesondere bei Verwendung von Flüssigdeuterium als
Targetmaterial von großer Bedeutung ist. Dazu wurden Thermalwiderstände zwischen
Kühlkopf und Kondensor eingebracht und durch kontrolliertes Gegenheizen die
Schwankungen verringert.
Es wurde ein kaltes D2-Gastarget entwickelt und in ersten Tests erprobt . Es ist so dünn,
daß Reaktions- (Spektator-) Protonen mit Energien um 1 MeV, wie sie in quasifreien pn-
Reaktionen an Deuterium auftreten, den Targetbereich fast ungestört verlassen und somit
nachgewiesen werden können. Es wurde eine doppelwandige Zelle verwendet, deren Inneres
mit gasförmigem Deuterium, der umgebende Mantel aber mit Flüssigwasserstoff gefüllt
werden konnte. Der Deuteriumdruck konnte stabil bei 200 mbar gehalten werden, was
weiterhin den Einsatz der extrem dünnen Fensterfolien ermöglicht. Die Dichte des kalten D2-Gases
wird dabei um den Faktor 14 gegenüber Zimmertemperatur angehoben. Der
Energieverlust von 1 MeV Protonen in einer 7 mm dicken Zelle dieser Bauart beträgt dabei
nur 10%.
Um stabile und benutzerfreundliche Manipulationen der COSY TOF
Vakuumkomponenten zu ermöglichen wurde ein automatisches Kontrollsystem entwickelt
und installiert, das auf den Software-Paketen SIMATIC S7 und WinCC basiert. Das System
erlaubt verschiedene Betriebsarten und stellt die nötigen Sicherheits-Interlocks zur
Verfügung. Denkbare Erweiterungen des Vakuumsystems sind berücksichtigt. Meßdaten und
Kontrollabläufe werden archiviert.
Auf der Suche nach schnellen Vakuumlecksensoren im COSY TOF Detektor und im
letzten Stück des Strahlrohrs zum COSY Ring haben sich Electret Mikrophone als
zuverlässig und empfindlich erwiesen. Sie sind um einiges billiger und um drei
Grössenordnungen schneller als herkömmliche Vakuum-Meßgeräte. Bei federgehaltener
Aufhängung und einer Dämpfungsmasse von lOg konnte ihre Empfindlichkeit gegen
mechanische Schocks und pumpenbedingte Vibrationen um mehr als eine Größenordnung
verringert werden.
A liquid hydrogen/deuterium target is used at COSY of the FZ-Rilich in the external
experiments TOF, GEM and MOMO. The combination of Imm diameter beam from COSY
with the small target provides the necessary very well defined interaction vertex within few
mm3. The target liquid is made on a cooled condenser and guided through a central tube
assisted by gravitation into the target cell. There the liquid is kept below boiling temperature
by evaporation cooling. The vapor rises up to the condenser through a very well isolated
concentric center tube. This circulation provides a stable dynamic equilibrium . The target
container should have as small as possible material between the reaction volume and the
detectors in order to minimize secondary interactions of reaction products. In order to reduce
unnecessary material, a very thin target cell is fabricated by galvanization technique. An
aluminum condenser is now used instead of copper. This decreased the material from 100 g
to 20g. It provides better thermal properties and performance. The cool down time from 300K
to LH2/LD2 is improved to 38 minutes instead of 52
minutes for copper.
A 7mm-diameter HP (heat pipe) has been developed instead of the previously used
16mm-diameter one. The diameter of the condenser part stayed 16 mm to keep enough
condensation area. The HP material was decreased to 70%. The cool down time of the 7mm
HP is reduced to 8 minutes instead of 18 minutes for 16mm HP. The 7mm system has lower
heat capacity, higher heat transfer rate, lower heat radiation from the surroundings due to the
smaller surface and higher vapor speed that makes the HP response to the thermal load
changes in the evaporator area faster and more sensitive.
For the TOF and WASA applications at COSY, a 200cm long-7mm diameter HP is
developed and tested under the maximal filling condition (9.45 liter at 228 mbar) with our 4
working gases. The cool down times are 107, 200, 54 and 38 minutes
for H2, D2, N2 and CH4
respectively from 300K until the working condition. The LH2 cool down time of the 7mm
tube of 107 minutes can be compared to 320 minutes for the old 16mm diameter tube. The
characteristics at steady state operating conditions have been
measured for H2, N2 and CH4 as
the working fluids. The effect of the operating temperature and the heat loads on the
temperature differences between the evaporator and the condenser ends of the heat pipe and
the effective thermal conductivity was investigated.
A solution has been developed to decrease the condenser temperature fluctuations from
≈0.4K to ≈0.14 peak to peak at LD2 temperature. Thermal resistances between the cooling
machine and the condenser of the heat pipe combined with controlled heating give sufficient
temperature stability.
A cold D2 gas target has been designed and developed, which is so thin that spectator
protons with energies ≤ 1 MeV can be well measured (in quasi-free pn reaction on
deuterons). A 7mm-diameter HP is used to fill a cooling jacket around the D2 gas cell with
LH2. The D2 gas is stabilized at 200 mbar to allow for thin windows. Its density is increased
by factor 14 compared to room temperature. A 7mm-thickness gas cell reduces the energy of
1 MeV spectators only 10%.
For simple and stable operation of the TOF vacuum components, an automatic control
system (ACS) based on SIMATIC S7 and WinCC has been built and the necessary software
was developed. The ACS allows for different operation modes and provides safety interlocks.
After careful tests, it is now in operation in TOF. It allows for future extensions of the
COSY-TOF vacuum components. It is able to archive the data over long time periods in
archives, it shows the last 30 minutes and has a user-friendly interface.
Electret microphones as fast leak sensors for the TOF vacuum system and the beam pipe
between the TOF and the COSY ring are proven to be fast and sensitive. They are much
cheaper and three orders of magnitude faster than the normal vacuum measurement devices.
Using a soft suspension with a lOg damping mass reduced their sensitivity to mechanical
vibrations of the vacuum system and mechanical shocks.
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