E-ToF-Messungen mit kalorimetrischen Tieftemperatur-Detektoren zur Bestimmung spezischer Energieverluste und zur Massenidentifikation niederenergetischer Schwerionen

Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren (Calorimetric Low Temperature Detectors, CLTDs) wurden erstmals in Messungen zur Bestimmung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx) niederenergetischer Schwerionen beim Durchgang durch Materie eingesetzt. Die Messungen wurden im Energiebereich unterhalb des Bragg-Peaks, mit 0.1 - 1.4 MeV/u 238U-Ionen in Kohlenstoff und Gold sowie mit 0.05 - 1.0 MeV/u 131Xe-Ionen in Kohlenstoff, Nickel und Gold, durchgeführt. Die Kombination der CLTDs mit einem Flugzeitdetektor ermöglichte dabei, kontinuierliche dE/dx-Kurven über größere Energiebereiche hinweg simultan zu bestimmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen, die Ionisationsdetektoren zur Energiemessung verwenden, erlaubten die höhere Energieauflösung und -linearität der CLTDs eine Verringerung der Kalibrierungsfehler sowie eine Erweiterung des zugänglichen Energiebereiches der dE/dx-Messungen in Richtung niedriger Energien. Die gewonnen Daten können zur Anpassung theoretischer und semi-empirischer Modelle und somit zu einer Erhöhung der Präzision bei der Vorhersage spezifischer Energieverluste schwerer Ionen beitragen. Neben der experimentellen Bestimmung neuer Daten wurden das alternative Detektionsprinzip der CLTDs, die Vorteile dieser Detektoren bezüglich Energieauflösung und -linearität sowie der modulare Aufbau des CLTD-Arrays aus mehreren Einzeldetektoren genutzt, um diese Art von Messung auf potentielle systematische Unsicherheiten zu untersuchen. Unter anderem wurden hierbei unerwartete Channeling-Effekte beim Durchgang der Ionen durch dünne polykristalline Absorberfolien beobachtet. Die koinzidenten Energie- und Flugzeitmessungen (E-ToF) wurden weiterhin genutzt, um das Auflösungsvermögen des Detektor-Systems bei der direkten in-flight Massenbestimmung langsamer und sehr schwerer Ionen zu bestimmen. Durch die exzellente Energieauflösung der CLTDs konnten hierbei Massenauflösungen von Delta-m(FWHM) = 1.3 - 2.5 u für 0.1 - 0.6 MeV/u 238U-Ionen erreicht werden. In einer E-ToF-Messung mit Ionisationsdetektoren sind solche Werte in diesem Energie- und Massenbereich aufgrund der Limitierung der Energieauflösung durch statistische Schwankungen von Verlustprozessen beim Teilchennachweis nicht erreichbar.

Calorimetric low temperature detectors (CLTDs) have been applied for the first time for measurements on stopping powers, i.e. specific energy loss dE/dx, of low energy heavy ions. The measurements have been performed in an energy range below the Bragg-Peaks, with 0.1 - 1.4 MeV/u 238U-ions in carbon and gold, as well as with 0.05 - 1.0 MeV/u 131Xe-ions in carbon, nickel and gold. A combination of CLTDs with a time-of-flight (ToF) detector enabled a simultaneous determination of continuous dE/dx-curves within a wide range of energies. The high energy resolution and energy linearity of CLTDs allowed a reduction of calibration errors and an extension of the accessible energy range towards lower energies, as compared to conventional setups using ionization detectors for the energy measurement. The obtained data may help adjusting theoretical and semi-empirical models and therefore improving the accuracy for predictions of heavy ion stopping powers. In addition to the collection of new experimental data, the alternative detection principle of CLTDs, their advantages concerning energy resolution and energy linearity, as well as the composition of the CLTD-array of several individual detectors have been used to investigate systematic uncertainties in that kind of dE/dx-measurements. Among others, unexpected channeling effects have been observed for ions penetrating thin polycrystalline absorber foils. The coincident energy and time-of-flight (E-ToF) measurements have also been used to investigate the resolution of the E-ToF detector system for direct in-flight mass determination of low energy heavy ions. Due to the excellent energy resolution of CLTDs, mass resolutions of Delta-m(FWHM) = 1.3 - 2.5 u could be obtained for 0.1 - 0.6 MeV/u 238U-ions. Using ionization detectors in an E-ToF measurement similar values cannot be reached in that mass and energy range due to the limitations of energy resolution by statistical fluctuations of energy loss processes during particle detection.