Target-System

Je nach den experimentellen Anforderungen sind für das PANDA-Experiment zwei verschiedene Targetsysteme vorgesehen: Ein Cluster-Strahl-Target sowie ein Pellet-Strahl-Target.

Cluster-Target-System

Cluster-Jet-Strahlen für Speicherring-Experimente werden durch die Expansion eines vorgekühlten Gases durch konvergent-divergente Laval-Düsen mit engsten Querschnitten unterhalb von 30 Mikrometern ins Vakuum erzeugt. Beim Passieren des Gases durch solch eine Düse kühlt sich das Gas durch adiabatische Expansion sowie durch den Joule-Thomson-Effekt weiter ab und bildet einen Überschallstrahl. Hierbei können Kondensationskeime entstehen, welche durch Drei-Körper-Stöße Cluster mit Größen von z.B. 103 bis 105 Atomen bilden. Unter Verwendung von Kollimatoren kann anschließend ein definierter Targetstrahl homogener Dichte und konstanter Winkeldivergenz für Streuexperimente zur Verfügung gestellt werden. Derartige Clusterstrahlen besitzen keine Zeitstruktur, so dass Experimente mit konstanter Luminosität durchgeführt werden können. Dies ist insbesondere für DAQ-Systeme der Detektoren von großer Bedeutung. Darüber hinaus kann die absolute Target-Dichte im laufenden Targetbetrieb durch Variation der Stagnationsbedingungen, i.e. Düsentemperatur und/oder Gaseinlassdruck, an die Experimentbedingungen angepasst werden. Anstelle von Wasserstoff können aber auch schwerere Gase wie z.B. Deuterium, Argon, Stickstoff bis hin zu Xenon verwendet werden, um so Experimente mit nuklearen Targets durchzuführen.

Das finale PANDA-Clustertarget wurde zusammen mit dem Target-Beamdump an der Universität Münster in PANDA-ähnlicher Geometrie aufgebaut. In verschiedenen Testmessungen konnten hier bereits Targetdichten von über 1015 Atomen/cm2 erzielt werden und wichtige Untersuchungen zur Vakuumsituation an PANDA durchgeführt werden. Bereits 2018 soll dieses Target an einem internen Targetpunkt des COSY-Beschleunigers in Jülich installiert werden, um so wichtige Informationen über die Beschleunigerstrahl-Target-Wechselwirkung zu gewinnen. Diese Ergebnisse werden für den späteren Betrieb am HESR von großer Bedeutung sein.

Parallel dazu steht in Münster das Prototypentarget zur Verfügung, an welchem systematische Untersuchungen zur Produktion von Clusterstrahlen durchgeführt und permanent neue Komponenten für das PANDA-Target entwickelt und getestet werden. Mit dieser Apparatur konnte bereits gezeigt werden, dass Wasserstoff-Targetdichten am PANDA-Wechselwirkungspunkt von über 2x1015 Atomen/cm2 erreicht werden können.

Pellet-Target-System

Ein Pellet-Target stellt einen Strahl gefrorener Wasserstoff Kügelchen (Pellets) zur Verfügung, die den Beschleuniger-Strahl vertikal passieren. Je nach Auslassöffnung der Injektionsdüse besitzen die Pellets typischerweise Größen zwischen 20 μm and 40 μm, mit welchen sich Targetdichten von z.B. 4x1015 Atomen/cm2 am PANDA-Wechselwirkungspunkt realisieren lassen. Aufgrund der Granularität des Targetstrahls in Verbindung mit einem mittleren Abstand der Pellets im Bereich von Millimetern sollte der Beschleunigerstrahl einen ähnlichen Durchmesser besitzen, um eine signifikante Zeitstruktur in der Luminosität zu vermeiden. Die makroskopische Größe der einzelnen Pellets bietet zudem die Möglichkeit, die Trajektorien einzelner Pellets über ein optisches Trackingsystem zu bestimmen. Hiermit lassen sich prinzipiell im Experimentbetrieb die Vertexpunkte der einzelnen Ereignisse mit einer Ortsauflösung im Bereich von 100 μm ermitteln. Ein entsprechendes Trackingsystem wird derzeitig an der Universität Uppsala entwickelt. Das Pellettarget für PANDA wird am ITEP in Moskau designt und aufgebaut.