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Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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08.10.2014 | Höhere Packungsdichte im GSI-Beschleuniger

EMTEX für hohe FAIR-Intensitäten

Bild: Gaby Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

EMTEX-Aufbau

 

Mit der neuen Beschleunigeranlage FAIR soll ein Rekord geknackt werden: So viele Ionen wie nirgends sonst auf der Welt, sollen gleichzeitig beschleunigt werden. Für die ersten zwei Stufen der Beschleunigung an der neuen Anlage werden die zwei bestehenden GSI-Beschleuniger genutzt. Um die hohen Intensitäten zu erreichen, müssen auch hier schon 10- bis 20-mal mehr Ionen beschleunigt werden als bisher. Das ist eine Herausforderung für die Beschleunigerphysiker, die sie nur durch Verbesserungen an vielen Stellen bewältigen können. Mit dem Emittanz-Transfer-Experiment haben sie jetzt eine Idee für bessere Strahlführung getestet.

Mit der GSI-Beschleunigeranlage wird schon seit den 1970er Jahren mit dem Linearbeschleuniger UNILAC und seit den 1990er Jahren mit dem Ringbeschleuniger SIS18 experimentiert. Die Ionen werden in Pakete verpackt durch die Beschleunigeranlage geschickt. Im GSI-Ringbeschleuniger konnten bisher maximal einige Milliarden Uran-Ionen pro Paket beschleunigt werden. Für die im Bau befindliche Anlage FAIR, Facility for Antiproton and Ion Research, müssen es aber etwa eine halbe Billionen werden. Wissenschaftler suchen jetzt nach Möglichkeiten, die bestehende Anlage so umzubauen, dass sie so viele Ionen aufnehmen kann – Grundlagenforschung auf Maschinenebene also.

Ein Ansatzpunkt ist der Übergang vom Linearbeschleuniger zum Ringbeschleuniger. Die Öffnung zum Ringbeschleuniger ist schmal und hoch. Linearbeschleuniger liefern jedoch generell quadratische Pakete. Daher wurde das Paket aus dem UNILAC bisher beim Übergang in den Ringbeschleuniger einfach an den Seiten beschnitten. Dadurch ging aber ein Teil der Ionen verloren und die Intensität wurde geringer. Gleichzeitig blieb nach oben Platz im Ringbeschleuniger ungenutzt.

Um dieses Potential zu nutzen, hat die GSI-Abteilung LINAC (engl. linear accelerator) im Transferkanal, also dem Übergang vom Linear- zum Ringbeschleuniger, das EMTEX-Setup aufgebaut. Mithilfe von Magneten formt es die Pakete um. „Eine solche Umformung ist bei einem Ionen-LINAC noch nie vorgeschlagen, geschweige denn erreicht worden“, sagt Lars Groening von der LINAC-Abteilung. Er erklärt, wie das Konzept funktioniert: „Anstatt wie bisher Ionen seitlich des Pakets einfach abzuschneiden, strecken wir die Pakete nach oben, um den Platz im Ring auszunutzen. Gleichzeitig stauchen wir die Pakete seitlich zusammen. So bleibt die Dichte der Ionen konstant. Das ist entscheidend, denn Ionen lassen sich nie dichter packen als sie zu Beginn erzeugt wurden.“ Das Stauchen und Strecken der Pakete klingt zunächst einfach. Tatsächlich geschieht es aber in vier Dimensionen. Neben den Ortsangaben Breite und Höhe spielen auch die Geschwindigkeiten der Ionen nach rechts, links, oben und unten eine Rolle. „Die vertikale Fläche, die ein Teilchenstrahl im Phasenraum ausfüllt (Emittanz) soll etwa dreimal größer sein als die horizontale“, sagt Groening. In zwei Strahlzeitperioden wurde das neue Konzept jetzt zunächst mit leichten Ionen bei niedriger Intensität getestet.

„Die Experimente haben sehr gut funktioniert und decken sich mit den Ergebnissen von Simulationen. Wir wissen jetzt also, dass die Idee prinzipiell funktioniert. Im nächsten Schritt entwickeln wir den Aufbau weiter, sodass die Umformung auch mit schweren Ionen bei hohen Intensität funktioniert.“ Für diese Weiterentwicklung wurde das Projekt gerade vom Bundesministerium für Bildung und Forschung verlängert. Ob und in welcher Form EMTEX bei FAIR zum Einsatz kommen wird, ist noch nicht endgültig beschlossen. Doch nur mithilfe von Grundlagenforschung im Bereich der Beschleunigerphysik, lassen sich die hohen Intensitäten für FAIR erreichen. „Die Wissenschaftscommunity hat großes Interesse an diesem Experiment“, ergänzt Groening. „Auch an anderen Ionen-Beschleunigern könnte EMTEX zum Einsatz kommen.“


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EMTEX-Aufbau
Der EMTEX-Aufbau im Transferkanal zwischen Linear- und Ringbeschleuniger bei GSI.
Bild: Gaby Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung