Testaufbau mit Strahl
(techn. Zeichnung)

Testaufbau
(techn. Zeichnung)

Testaufbau Innenansicht
(techn. Zeichnung)

Testaufbau Schnitt
(techn. Zeichnung)

Entwicklung eines Kryo - Kollimator - Prototyps für Supraleitendes SIS100 an FAIR

 Der geplante zentrale Ringbeschleuniger SIS100 (Schwerionensynchrotron 100) wird u.a. hochintensive Uranstrahlen für verschiedene Experimente zur Verfügung stellen. Dazu werden teilgeladene Ionen verwendet, um Strahlverluste wie sie durch sogenannte ‚Stripping’-Vorgänge entstehen zu vermeiden. Hierbei werden Elektronen von Ionen abgestreift (gestripped), indem der Ionenstrahl durch spezielle Folien geschossen wird.
So entsteht bei niedrigen Energien jedoch nicht nur der gewünschte, höhere Ladungszustand, sondern mithin eine ganze Verteilung von Ladungszuständen, welche größtenteils verworfen werden, was zu einer dementsprechend niedrigeren Strahlintensität hinter der Folie führt. Wird auf das ‚Strippen’ verzichtet, kann der hochintensive Strahl beibehalten werden und zusätzlich wird die Grenze maximal erreichbarer Teilchenzahl im Strahl aufgrund von Raumladung zu höheren Intensitäten verschoben.
Teilgeladene Schwerionen haben jedoch den Nachteil, dass sie durch Kollision mit den Molekülen des Restgases im Beschleunigervakuum weiter ionisiert werden können. So können aus zu beschleunigenden U²⁸⁺- U²⁹⁺- Ionen werden, die aufgrund der zum Referenzion abweichenden Ladung, vom umlaufenden Strahl getrennt-und somit unbenutzbar werden.
Am Ort der Kollision werden zudem an der Kammerwand adsorbierte Gasteilchen durch ionenstimulierte Desorption losgelöst. Dadurch entsteht eine lokale Gaswolke, welche die Wahrscheinlichkeit für eine Umladung weiterer Strahlionen erhöht. Im schlimmsten Fall kann so eine Selbstverstärkung auftreten, welche bis hin zum kompletten Strahlverlust führen kann.

 Kollimatoren und Ionenfänger

 Die Desorptionsrate, also die Anzahl losgelöster Teilchen / einfallendem Ion, liegt bei unkontrolliertem, streifenden Einfall auf die Vakuumkammerwand, in der Größenordnung von ca. 25.000 losgelösten Teilchen / einfallendem Ion.
Die Kollimatoren besitzen eine spezielle, niedrig desorbierende Oberfläche, bestehend aus einem mit Gold und Nickel-Diffusionssperre veredeltem OFHC-Kupfer (Oxygen-Free High Thermal Conductivity - Kupfer), durch das sich die Desorptionsrate bei senkrechtem Einfall auf ~50 losgelöste Teilchen / einfallendem Ion reduzieren lässt, im Vergleich zu Verwendung von herkömmlichem Edelstahl. Wird in der Nähe des Kollimators gleichzeitig eine hohe Saugleistung installiert, können die wenigen losgelösten Gasteilchen schnell wieder aus dem Beschleuniger-Vakuum entfernt werden und der Restgasdruck bleibt stabil. Somit werden weniger Strahlionen umgeladen und verloren, und die Intensität des Teilchenstrahls bleibt gleichzeitig hoch. Zudem wird die Aktivierung der umliegenden Beschleunigerkomponenten reduziert, da sie geringeren Strahlverlusten ausgesetzt sind.

 Das Kollimatorsystem im SIS100

 Das ionenoptische Lattice (Anordnung der Magnete) des SIS100 wurde im Gegensatz zum Lattice des SIS18, für den Einsatz von Kollimatoren optimiert. Umgeladene Ionen gehen nahezu ausschließlich an definierten Positionen zwischen den Quadrupolmagneten verloren, wo nun Kollimatoren installiert werden. Da das SIS100 ein supraleitender Beschleuniger wird, müssen die Kollimatoren in einer entsprechend kalten Umgebung installiert werden. Das hat den Vorteil, dass kalte Kammerwände zusätzlich als Kryopumpen arbeiten und somit desorbierte Gase schnell wieder gebunden werden können.
Um die Wände um den Kollimator möglichst kalt zu halten, ist die Edelstahlkammer von außen mit einer Kupferschicht bedeckt, die über Kupferbänder mit einer LHe-Leitung (LHe= Liquid, also Flüssig- Helium) verbunden wird. Vor dem Fertigen der Kammer wird auf das Edelstahl eine Kupferplatte aufgesprengt. Bei einem derartigen Verfahren werden zwei beliebige Metallplatten übereinander gelegt und Kraft einer Sprengung kalt verschweißt. Im Inneren der Kammer ist der Kollimator von Sekundärkammerblechen umgeben, welche zum Einen die losgelösten Gasteilchen daran hindern, die Strahlachse zu erreichen, zum Anderen zusätzliche kalte Oberflächen zur Verfügung stellen. Da der Kopf des Kollimators elektrisch isoliert aufgehängt ist, können die ihn treffenden Ionisationsverluste direkt gemessen werden. Im Falle schnell ansteigender Verluste, aufgrund schlechter Vakuumbedingungen, kann ein Interlock ausgelöst- und der Strahl aus der Maschine herausgekickt werden. Das Kollimatorsystem verhindert, dass die kalten, supraleitenden Magnete von Strahlverlusten getroffen, und somit erwärmt werden könnten.

 Prototyp

 Der Prototyp des Kryokollimators soll an einem an der GSI vorhandenen Strahlzweig direkt mit einem Teststrahl beschossen werden. Dabei soll der Druckanstieg im Inneren der Kammer als Funktion verschiedener Parameter vermessen werden. Dazu wird der Prototyp der Kollimatorkammer in einen eigenen Kryostat mit thermischem Schild und Super-Isolation eingebaut und über einen Kalt-Warm-Übergang mit dem warmen Strahlrohr hinter dem SIS18 verbunden. Da das SIS18 als Injektor für das SIS100 dienen wird, können somit realistische Tests mit Injektionsenergie und vergleichbarer Teilchenrate durchgeführt werden.