Investigation on intense magnetic flux shielding with a high temperature superconducting tube for a transverse polarized target at the PANDA experiment

Abstract

Observablen, die durch eine transversale Targetpolarisation erfasst werden können, werden in Hochenergieexperimenten untersucht. Das Teilchenphysikexperiment PANDA besteht aus einem Detektor am Teilchenbeschleuniger FAIR, der am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt gebaut wird. Dieser Detektor benötigt ein hohes Magnetfeld in longitudinaler Richtung bezüglich des Antiprotonenstrahls, um eine hohe Impulsauflösung elektrisch geladener Teilchen zu ermöglichen. Für die Machbarkeit eines transversal polarisierten Targets ist es erforderlich, das longitudinale Magnetfeld abzuschirmen. Die Möglichkeit ein intensives Magnetfeld mit Hilfe eines Abschirmrohres aus einem BSCCO Hochtemperatursupraleiter abzuschirmen wurde bezüglich eines erreichbaren Abschirmfaktors, dessen Stabilität in der Zeit und der residualen magnetischen Flussdichte entlang der Rohrachse experimentell untersucht. Eine numerische Simulation des induzierten Stromes im Abschirmrohr und der residualen magnetischen Flussdichte entlang seiner Achse wurde entwickelt, und die experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen dieser Simulation verglichen. Am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) wurde eigens für diese Untersuchung eine Experimentierapparatur bestehend aus einem Kryostaten für Flüssiges Helium bei einer Temperatur von 4,2 K entwickelt und aufgebaut. Das Abschirmrohr wurde mit einer beweglichen Hall-Sonde, mit einem speziellen Null-Feld Magneten aufgesetzt, versehen. Das externe Magnetfeld wurde von einem hierfür angefertigten supraleitenden Solenoiden, der auf dem Abschirmrohr montiert werden kann, erzeugt. Eine magnetische Flussdichte von 1 T wurde angelegt und abgeschirmt, mit einem Abschirmfaktor von mindestens 320000, bei einem Konfidenzniveau von 95 %. Bei einer Messung über vier Tage konnte ein weiteres Eindringen nicht beobachtet werden. Die Messung der residualen magnetischen Flussdichte entlang der Rohrachse zeigte eine Abschirmung über 80 mm (bei 150 mm Abschirmrohrlänge) bis 1 T. BSCCO ist ein geeignetes Material, das hohe Magnetfeld im PANDA Spektrometer abzuschirmen.

In high energy particle experiments one is interested in observables that require a transverse target polarization. The particle physics experiment PANDA consists of a detector at the particle accelerator FAIR currently under construction at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Darmstadt (GSI). The detector requires a high magnetic field in longitudinal direction with respect to the antiproton beam to provide high momentum resolution of the electrically charged particles. For the feasibility of a transverse polarized target in PANDA, it is essential to shield the longitudinal magnetic field. The ability to shield an intense magnetic flux with a high temperature superconductor BSCCO in form of a shielding tube was investigated experimentally. A shielding factor was extracted. A measurement of the stability of the shielding in time and a measurement of the residual magnetic flux density along the axis of the tube was performed. A numerical simulation of the induced current in the shielding tube and the residual magnetic flux density along its axis was developed. The experimental results were compared to the predictions based on the numerical simulation. For the measurements a dedicated apparatus consisting of a cryostat, filled with liquid helium, at a temperature of 4.2 K was developed and constructed at the Helmholtz-Institut Mainz (HIM). The shielding tube was equipped with a movable Hall probe, with a Zero-field Magnet on top. The external magnetic field was generated by a purpose-built superconducting solenoid, which can be mounted on top of the shielding tube. An external magnetic flux density of 1 T was applied and shielded with a shielding factor of at least 320000 with a 95 % confidence level. In a measurement over four days a penetration of it into the shielding tube could not be observed. The measurement of the residual magnetic flux density along the axis of the tube showed a shielding of the the central region of 80 mm (from total 150 mm shielding tube) up to 1 T. BSCCO is a good shielding material and can be used to shield the high magnetic field within the PANDA spectrometer.