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| Wo die schweren Ionen herkommen |
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Wo die schweren Ionen herkommen
Zu der großen Vielfalt an
Experimentiermöglichkeiten, wie sie bei der GSI besteht, gehört eine
mehrgliedrige Beschleunigeranlage, ein ganzes System von Linear- und
Kreisbeschleunigern mit dazwischengeschalteten Strahlführungsstrecken
zu ihrer wechselseitigen Verbindung und zum Anschluß der Experimente.
Dieser Bericht vertieft die beschleuniger-technischen Angaben und
versucht, eine Vorstellung von der Komplexität zu vermitteln, die
erforderlich ist, um bis zu fünf Experimente gleichzeitig mit
Ionenstrahlen verschiedener Art und Energie zu bedienen.
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Grundriß der Beschleuniger- und Experimentier-Anlage. Von den Injektoren
Nord und Süd (links) mit der anschließenden Wideröe-Struktur oder
alternativ vom Hochladungsinjektor werden die lonen mit etwa 5% der
Lichtgeschwindigkeit in die Alvarez-Struktur eingeschossen. Hinter dem
UNILAC hat der lonenstrahl 16% der Lichtgeschwindigkeit erreicht. Ein
Teil des Strahls wird nun in der anschließenden Experimentierhalle für
Versuche verwendet, während der verbleibende Rest zur weiteren
Beschleunigung in das Schwerionen-Synchrotron SIS transferiert wird.
Dort erreichen die Ionen maximal 90% der Lichtgeschwindigkeit und
werden dann für Experimente am Fragmentseparator FRS, im ESR oder in
der Target-Halle ausgelenkt. |
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Blick in den UNILAC-Tunnel. Im Vordergrund sind links und rechts die
beiden alten Injektoren mit den Ionenquellen zu erkennen. Nach der
Strahleinlenkung folgen im Tunnel die Wideröe- und Alvarez-Tanks sowie
die von Christoph Schmelzer und seinen Mitarbeitern entwickelten
Einzelresonatorstrukturen.
Animation als Mpeg-File mit 1164460 Bytes |
Die für die GSI-Experimente
benötigten Ionenstrahlen erzeugt eine Beschleunigeranlage, die aus drei
Komponenten besteht: dem Linearbeschleuniger UNILAC, dem
Schwerionen-Synchrotron SIS und dem Experimentier-Speicherring ESR.
Dabei liefert der UNILAC zum einen die Ionen für das
Experimentierprogramm bei niedrigen Energien und dient zum anderen als
Vorbeschleuniger für SIS. Dessen hochenergetische Strahlen können dann
sowohl zu den in der Target-Halle aufgebauten Experimenten als auch zum
Fragmentseparator FRS oder zum ESR geleitet werden. Der ESR bietet die
Möglichkeit, die Ionenstrahlen zu kühlen und für interne
Ringexperimente zu nutzen. Alternativ können die ESR-Strahlen auch für
Experimente in der Target-Halle extrahiert oder für eine weitere
Beschleunigung in das Synchrotron zurückgeleitet werden. Kurz: Es
handelt sich um ein sehr vielseitiges labyrinthartiges System.
Der UNILAC wurde 1975 als erster Beschleuniger der GSI
fertiggestellt. Aufgrund der Vorarbeiten einer Studiengruppe des
Instituts für Angewandte Physik in Heidelberg konnte mit seinem Bau
bereits kurz nach der Gründung der GSI begonnen werden. Wichtige
Argumente für die Wahl dieses Beschleunigertyps waren damals unter
anderem die einfache Energievariation und der einfache Einschuß aus
mehreren Ionenquellen, Eigenschaften, die sich bei der späteren
Erweiterung der Anlage als sehr vorteilhaft erwiesen.
Um die Atome des Strahls möglichst effizient beschleunigen zu
können, muß man sie möglichst hoch ionisieren, das heißt, ihnen viele
Elektronen entreißen. Dies geschieht in der Ionenquelle zum Beispiel
durch eine Hochstrom-Gasentladung. Beim Uran mit seinen 92 Elektronen
mußte man damals davon ausgehen, daß sich maximal zehn Elektronen
würden abstreifen lassen, also ein zehnfach geladenes Uran erzeugbar
sei. Dementsprechend wurden der Aufbau und die Struktur des UNILAC
konzipiert.
Das gewünschte Isotop auswählen
Am Anfang des
Strahlengangs befinden sich die Injektoren (Nord und Süd). Sie
beherbergen die Ionenquellen, aus denen die ionisierten Atome mit Hilfe
eines elektrischen Felds abgezogen werden. Es folgt eine
elektrostatische Vorbeschleunigung, bei der die Ionen eine
Gleichspannung von maximal 320000 Volt »durchfallen«. Beim
anschließenden Einlenken des Strahls in den Hauptbeschleuniger wird aus
dem natürlichen Isotopengemisch des betreffenden Elements das
gewünschte Isotop ausgewählt.
Die erste Stufe des UNILAC ist eine Wideröe-Struktur, benannt
nach Rolf Wideröe, einem Schweizer Physiker norwegischer Herkunft, der
1928 das Prinzip des Hochfrequenzbeschleunigers erfand. Es handelt sich
dabei um vier, in verkupferten Stahltanks untergebrachte
Elektrodenstrukturen von insgesamt 30 Meter Länge mit etwa 130
Beschleunigungselektroden, den Driftröhren. Die Länge der Elektroden
ist so gewählt, daß die elektrischen Hochfrequenzfelder - die
Betriebsfrequenz beträgt 27 MHz - immer die richtige Polarität haben,
wenn sich die Ionen zwischen den Elektroden befinden. So werden sie
immer wieder durch die Felder ein Stück »angeschoben«. Außerdem
enthalten die Elektroden zum Teil magnetische Linsen, die den Strahl
entlang der Beschleunigerachse führen.
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Wie die Glieder einer Kette sind die 130 Beschleunigungselektroden der
Wideröe-Struktur in den vier verkupferten Stahltanks hintereinander
aufgereiht. Wenn die Ionen aus den durchbohrten Metallzylindern kommen,
spüren sie bis zum Eintritt in den nächsten Zylinder das
beschleunigende Hochspannungsfeld.
Animation als Mpeg-File mit 43319 Bytes |
Alle Ionenarten verlassen die Wideröe-Struktur mit der
gleichen, fest eingestellten Geschwindigkeit von etwa 16000 km/s, gut
5% der Lichtgeschwindigkeit. Dem entspricht eine Energie von 1,4
Megaelektronenvolt pro Kernbaustein (1,4 MeV pro Nukleon). Danach
durchdringen die Ionen einen Überschall-Gasstrahl und erleiden dabei so
heftige Stöße, daß nochmals viele Elektronen abgestreift werden, weit
mehr als ursprünglich in der Ionenquelle. In diesem Stripper erreichen
Uran-Ionen beispielsweise Ladungszustände um 28+. Das heißt, ihnen
fehlen 28 Elektronen. Ohne diese zusätzliche Ionisierungsstrecke hätte
der UNILAC wesentlich länger gebaut werden müssen, um die gewünschten
Endgeschwindigkeiten zu erreichen. Wie bereits in der Ionenquelle, so
werden auch bei den Zusammenstößen mit den Target-Atomen
unterschiedliche Ladungszustände erzeugt, davon aber nur einer für die
weitere Beschleunigung aussortiert.
In der zweiten, etwa 55 Meter langen Stufe des UNILAC
übernehmen Alvarez-Strukturen - erfunden 1946 von dem amerikanischen
Physiker und späteren Nobelpreisträger Luis W. Alvarez - die
Beschleunigung. Das geschieht in vier Tanks von jeweils 13 m Länge mit
über 150 Driftröhren beziehungsweise Beschleunigungsspalten. Der
Vorzeichenwechsel des elektrischen Feldes zwischen den
Driftröhrenelektroden erfolgt mit einer Betriebsfrequenz von 108 MHz,
viermal schneller also als in der Wideröe-Struktur. Die spezifische
Austrittsenergie beträgt für alle Ionen am Ende 11,6 MeV pro Nukleon,
entsprechend 16% der Lichtgeschwindigkeit, fast 50000 km/s.
Als dritte UNILAC-Stufe schließt sich eine Folge von 15
Einzelresonatoren an, eine speziell entwickelte Struktur. Jeder dieser
Resonatoren hat nur einen Beschleunigungsspalt und wird von einem
unabhängig steuerbaren Hochfrequenzgenerator gespeist. Damit läßt sich
(im Gegensatz zu den Strukturen der ersten und zweiten Stufe) die
Ionengeschwindigkeit einstellen. Durch Beschleunigen oder Abbremsen ist
jede gewünschte Endenergie des Ionenstrahls im Bereich von 2 MeV bis 18
MeV pro Nukleon möglich.
Drei neue Techniken für den Hochladungsinjektor
Mitte der 80er Jahre wurde der UNILAC in der zweiten und dritten Stufe
so umgerüstet, daß in weniger als 15 Millisekunden auf eine andere
Endenergie umgeschaltet werden kann. Damit lassen sich die Energien für
den Einschuß in ein Schwerionen-Synchrotron und für das
Niederenergie-Experimentierprogramm unabhängig voneinander wählen. Seit
der Inbetriebnahme eines weiteren Injektors für die Alvarez-Stufe, des
sogenannten Hochladungsinjektors, im Jahre 1992, besteht auch die
Möglichkeit, in weniger als 15 Millisekunden auf andere Ionen
umzuschalten, so daß man für UNILAC- und SIS-Experimente die
beschleunigten Ionensorten unabhängig wählen kann. Dieser neue,
parallel zum Wideröe-Teil betriebene Injektor erlaubt es, durch
Verwendung einer speziellen Ionenquelle - einer sogenannten
Elektron-Zyklotron-Resonanz-Quelle (EZR) - für Uran direkt den
Ladungszustand 28+ einzustellen.
Zur Beschleunigung auf die für die Alvarez-Struktur
erforderlichen 1,4MeV pro Nukleon werden die Ionen zunächst in eine
sogenannten RFQ-Struktur, wie sie Ende der 70er Jahre in Moskau von
Kapchinsky erfunden und für die GSI an der Universität Frankfurt gebaut
wurde, eingeschossen. Daran schließt sich eine sogenannten IH-Struktur
an, wie sie erstmals 1978 von Morinaga und Mitarbeitern in München
eingesetzt und bei der GSI für den Einsatz mit langsamen schweren Ionen
weiterentwickelt wurde. Die Kombination dieser drei neuen Techniken
erlaubt es jetzt, sehr kompakte Schwerionen-Linearbeschleuniger zu
bauen.
Schon bald nach der Fertigstellung des UNILAC begannen bei
der GSI Überlegungen zum Bau eines Beschleunigers für Ionenstrahlen mit
wesentlich höheren Energien. Dabei war klar, daß für schwere Ionen nur
ein Synchrotron-Kreisbeschleuniger in Frage kommen konnte, ein
Vakuumring, in dem die Ionen, von magnetischen Feldern auf einer
Kreisbahn gehalten, bei einigen hunderttausend Umläufen bis nahe an die
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dabei steigen sowohl das
Magnetfeld als auch die Frequenz des beschleunigenden elektrischen
Felds synchron mit der Zunahme der Geschwindigkeit an. Dies gab diesem
Beschleunigertyp den Namen Synchrotron.
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Blick entlang des SIS-Beschleunigerrings, mit dem die aus dem UNILAC
kommenden Ionen bis auf 90% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt
werden können. Die roten Abschnitte sind die Ablenkmagnete und die
gelben Sektionen die Fokussierungsmagnete. Der Strahl wird von links in
den Ring eingeschossen.
Animation als Mpeg-File mit 1440556 Bytes |
Das SIS ist ein solcher Ringbeschleuniger mit einem Umfang
von 216 Metern. 24 Biegemagnete halten die umlaufenden Ionen auf seiner
Kreisbahn, und 36 magnetische Linsen fokussieren sie. Um die
Beschleunigung möglichst effizient zu machen und eine hohe Energie zu
erreichen, wird der Ionenstrahl auf der Strecke zwischen UNILAC und SIS
durch eine dünne Kohlenstoff-Folie geschickt und weiter ionisiert, bei
Uran-Ionen von 28+ auf 72+. Bei der maximal möglichen magnetischen
Biegekraft der SIS-Magnete wird so eine spezifische Energie von etwa
1000 MeV pro Nukleon (= 1 GeV pro Nukleon) erreicht. Für leichte
Elemente wie Neon erhält man sogar vollständig ionisierte Ionen. Dies
ermöglicht spezifische Energien von bis zu 2 GeV pro Nukleon,
entsprechend 90% der Lichtgeschwindigkeit (Abb. IX.4).
Die Beschleunigung im Synchrotron erfolgt in zwei diametral
im Ring angeordneten Hochfrequenzstrukturen, in denen die Ionen bei
jedem Umlauf eine Spannung von 15000 Volt »durchfallen« und so über
einige hunderttausend Umläufe die maximale Energie erreichen. Die
Frequenz wächst dabei entsprechend dem Geschwindigkeitszuwachs von 800
kHz auf maximal 5,6 MHz an. Die Ionen legen während des etwa eine
Sekunde dauernden Beschleunigungsvorgangs viele tausend Kilometer
zurück. Da bei den Uran-Ionen aber immer noch 20 Elektronen an den
Atomkern gebunden sind, muß man das Vakuumrohr, in dem die Ionen
umlaufen, extrem evakuieren - bis auf 10-10 Torr.
Andernfalls könnten sie im Rohr durch Stöße mit Gasmolekülen Elektronen
verlieren und dadurch aus der Bahn geraten. Das bedeutet, daß das
Vakuum im Ringbeschleuniger SIS tausendmal besser sein muß als das im
UNILAC.
Nach der Beschleunigung auf die gewünschte Energie wird der
Strahl schnell - das ist in weniger als einer Mikrosekunde - oder
langsam - während einer Zeit bis zu 10 Sekunden - extrahiert. Die
schnelle Extraktion erfolgt beim Transport in den Speicherring oder für
spezielle Experimente, die langsame für die Mehrzahl der Experimente am
Fragmentseparator (FRS) und in der großen Target-Halle.
Experimente mit individuell wählbaren Parametern
Das Kontrollsystem des SIS und die hier angewendete spezielle Technik
der Magnetstromgeräte machen es möglich, für jeden
Beschleunigungszyklus eine andere Endenergie, eine andere
Extraktionsart (»schnell« oder »langsam«) oder eine andere Intensität
einzustellen. Gegenwärtig können bis zu 16 verschiedene Einstellungen
gespeichert und in einer wählbaren Folge abgerufen werden. Dank dieser
Flexibilität lassen sich mehrere Experimente parallel zueinander mit
individuell wählbaren Parametern bedienen. Mit dem neuen
Hochladungsinjektor ist als weiterer Parameter die zweite Ionenart
hinzugekommen. Die Dimensionierung des experimentellen Speicherrings
ESR ergab sich aus der Verknüpfung mit dem SIS. Er hat mit 108 Metern
den halben SIS-Umfang. Seine Form entspricht der eines Sechsecks mit
zwei längeren geraden Strecken, die eine für den Elektronenkühler, die
andere für ein Gas-Target, das Experimente im Ring ermöglicht. Das
Sechseck wird durch sechs Biegemagnete von je 60° gebildet, und 20
magnetische Linsen besorgen die Fokussierung. Darin können vollständig
ionisierte Uran-Ionen mit einer spezifischen Energie bis zu 560 MeV pro
Nukleon oder Neon-Ionen bis zu 830 MeV pro Nukleon gespeichert werden.
Durch die bereits im Atomphysik-Kapitel beschriebene
Elektronenkühlung lassen sich die Strahleigenschaften der gespeicherten
Ionen erheblich verbessern. Dazu wird ein Elektronenstrahl von gleicher
Geschwindigkeit wie der Ionenstrahl eingelenkt, über 2 Meter mitgeführt
und dann wieder ausgelenkt. Die Elektronen haben exakt die
Sollgeschwindigkeit und Richtung des Ionenstrahls, und soweit einzelne
Ionen davon abweichen, werden sie von den Elektronen beschleunigt oder
abgebremst und so über viele Umläufe auf die Sollwerte gebracht. Die
statistischen Abweichungen von den Idealwerten lassen sich durch eine
Temperatur beschreiben, die mit der Zeit sinkt. Daher spricht man von
einer Elektronenkühlung des Ionenstrahls.
Anschaulich betrachtet wirkt sich die Kühlung so aus, daß der
Durchmesser des Ionenstrahls in Bruchteilen einer Sekunde von einigen
Zentimetern auf wenige Millimeter schrumpft. Gleichzeitig kann so je
nach der Zahl der Ionen im Ring die Impulsunschärfe bis zu tausendfach
verringert werden. Die gekühlten Strahlen werden aus dem ESR extrahiert
und in den in der Target-Halle aufgebauten Experimenten für
Untersuchungen mit Strahlen bisher nie erreichter Qualität eingesetzt.
Man kann sie auch schnell extrahieren und wieder in das SIS
einschießen, wo sie dann als vollständig ionisierte Atome zu noch
höheren Energien beschleunigt werden.
Das in der zweiten längeren Strecke des ESR-Sechsecks
untergebrachte transversale Gasstrahl-Target, das immer wieder mit den
zirkulierenden Ionen beschossen werden kann, dient den kern- oder
atomphysikalischen Untersuchungen im Ring selbst. Da der Strahl bei
Stößen mit den Gasatomen aufgeheizt wird, läuft gleichzeitig die
Elektronenkühlung. Der Vakuumdruck in der Ringkammer des ESR liegt bei
10-11 Torr,
also noch einmal eine Größenordnung unter dem SIS-Druck. Die typische
Lebensdauer des zirkulierenden Strahles erreicht hier mit der
Elektronenkühlung etwa 10 Stunden für Neon und 30 bis 60 Minuten für
schwere Ionen. So gelang es erstmals, mit vollständig ionisierten und
gekühlten Uranstrahlen zu experimentieren.
Die Ionenoptik des ESR zeichnet sich durch eine große Winkel-
und Impulsakzeptanz aus. So könnte man zum Beispiel in einem Ring
gleichzeitig zwei Strahlen speichern, die sich unter einem kleinen
Winkel kreuzen. Dabei läßt sich die Relativgeschwindigkeit so wählen,
daß die Abstoßung der Atomkerne überwunden werden kann und
Kernreaktionen erfolgen. Ferner können »heiße« Sekundärstrahlen aus der
Fragmentation von Ionenstrahlen aufgesammelt und gekühlt werden. Dafür
wird in nächster Zeit zusätzlich die stochastische Vorkühlung zur
Verfügung stehen. Sie besteht darin, daß die Bahnabweichungen einzelner
Ionenpakete gemessen und korrigiert werden.
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Vom Hauptkontrollraum aus wird das ganze Beschleunigersystem gesteuert und überwacht. |
Der UNILAC liefert je Betriebsperiode, abhängig von den
Experiment-Anforderungen, bis zu sieben verschiedene Elemente für die
Experimente am UNILAC, am SIS und am ESR. Dabei wird abhängig von den
Intensitäts- und Elementanforderungen entschieden, welcher der
Injektoren - Wideröe- oder Hochladungsinjektor - jeweils für die
Nieder- oder Hochenergie-Experimente eingesetzt wird. Für sehr teure
Elemente wie angereicherte Isotope wird in der Regel der neue Injektor
benutzt. Normalerweise werden am UNILAC und am SIS ein Haupt- und ein
sogenanntes Parasitär-Experiment (manchmal auch zwei) bedient. Dazu
kommt der Strahl für den ESR. Das heißt, daß typischerweise fünf
Experimente parallel mit Strahlen beliefert werden. Die
Beschleunigeranlage ist zwischen 5000 und 6000 Stunden pro Jahr in
Betrieb. Perioden von 5 bis 6 Wochen mit 24-Stunden-Betrieb wechseln
mit 2 bis 3 Wochen Wartungs-, Nachbesserungs- und Umbauarbeiten ab.
Überwachung und Steuerung der Beschleunigeranlage und der
Strahltransportsysteme erfolgt durch einen Schichtleiter und zwei
Operateure im gemeinsamen Hauptkontrollraum für alle Beschleuniger. Für
kompliziertere Störungen können rund um die Uhr die Spezialisten
gerufen werden.
Zukünftige Entwicklung der Beschleuniger
Ziel der
laufenden Entwicklungsarbeiten an UNILAC und SIS ist eine weitere
Verbesserung der Betriebssicherheit und der Einstell-Reproduzierbarkeit
der Beschleuniger und Strahltransportsysteme. Das ist insbesondere in
Hinblick auf das Therapieprojekt die vordringlichste Aufgabe. Daneben
wurde am SIS mit einem Programm zur Intensitätserhöhung begonnen.
Dessen Ziel ist es, so viele Ionen in das SIS einzuschießen, bis die
gegenseitige Abstoßung der geladenen Ionen eine weitere Erhöhung der
Ionenfüllung unmöglich macht. Das heißt, das SIS soll für alle Ionen
bis zur Raumladungsgrenze gefüllt werden. Für leichte Ionen ist dies
bereits jetzt möglich. Bei sehr schweren Ionen wie Uran ist man noch um
den Faktor 500 von dieser Grenze entfernt.
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Die Graphik zeigt die zeitliche Entwicklung der im SIS beschleunigten
Ionenströme (in Einheiten von Teilchen pro Beschleunigerpuls) für die
verschiedenen Elemente und den Zeitraum von 1994 bis 1998. Die grünen
Balken geben den Stand Ende 1994 und die rot gestrichelte Linie die
maximal möglichen Werte an, wie sie im Rahmen des
Intensitätserhöhungsprogramms durch Verbesserungen an den Ionenquellen,
durch den Einbau eines SIS-Elektronenkühlers und durch den neuen
Hochstrominjektor stufenweise erreicht werden sollen. |
Die zentrale Komponente dieses Intensitäts-Erhöhungsprogramms
ist ein neuer Hochstrominjektor für den UNILAC, der so konzipiert ist,
daß er etwa einmal pro Sekunde einen kurzen intensiven Strahlpuls für
das SIS liefert. Dafür muß der UNILAC mit Meß- und
Überwachungseinrichtungen für höchste Ströme ausgerüstet werden. Dieser
Ausbau soll bis Ende 1998 abgeschlossen sein.
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