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05.04.2016 | Der Debuncher für den FAIR-Speicherring CR – Den richtigen Dreh finden

Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Im Gespräch

Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Gruppenbild

Bild: GSI

Rotation im Phasenraum

 

Ein erster sogenannter Debuncher für FAIR hat GSI im Herbst 2015 erreicht, er wird aktuell in einem Testaufbau in Betrieb genommen. Im Laufe des Jahres wollen ihn die Forscher auf Herz und Nieren prüfen, denn mit ihm sollen die Eigenschaften von Teilchenstrahlen verbessert werden. Er wiegt knapp zwei Tonnen und hat eine Höhe von zwei Metern und eine Länge von über einem Meter. Insgesamt fünf Debuncher werden zukünftig in den FAIR-Sammlerring (Collector Ring CR) eingebaut.

Die GSI- und zukünftig die FAIR-Beschleuniger bringen Milliarden von geladenen Atomkernen, sogenannte Ionen, auf hohe Geschwindigkeiten. Bei der Kollision der Ionen mit einer Materialprobe, Target genannt, entsteht ein zweiter Strahl aus neuen Atomkernen, die auf der Erde nicht existieren. Auf sie haben es die Forscher abgesehen, denn sie könnten beispielsweise Aufschluss über die Elemententstehung in Sternen geben. Jedoch sind die Objekte der Begierde instabil und zerfallen nach sehr kurzer Zeit wieder – bei der Untersuchung muss man sich also beeilen.

Und ein weiteres Problem stellt sich – die gewünschten Teilchen bewegen sich unterschiedlich schnell in verschiedene Richtungen in Bezug zu einem Referenzteilchen. Sie haben, in der Sprache der Wissenschaftler, eine große Impulsverteilung. "Eine Kühlung, also eine Reduzierung der Impulsverteilung, ist nötig für die Ansammlung und die Untersuchung der neuen Teilchen. Die gängigen Kühlverfahren wie beispielsweise die stochastische Kühlung arbeiten jedoch nur effizient, wenn die Impulsverteilung schon beim Beginn des Kühlvorgangs relativ gering war. Sonst kann die Kühlung nicht für alle Teilchen erfolgen. Und dort, wo sie funktioniert, dauert sie zu lange und die neuen Kerne sind zerfallen, bevor sie für die Untersuchung präpariert sind", erklärt Dr. Oleksiy Dolinskyy, Leiter der FAIR-Projektabteilung "Collector Ring".

Nötig zur Reduktion der Impulsverteilung sind die sogenannten Debuncher, die im CR positioniert werden, in dem die neuen Kerne gekühlt werden sollen. Der Begriff Debuncher kommt von englisch bunches. So nennt man die Pakete, in die die Ionen für den Beschleunigungsvorgang möglichst dicht verpackt werden. Elektromagnetische Felder formen die Pakete und sorgen dafür, dass sich die positiv geladenen Ionen, die sich eigentlich abstoßen würden, eng aneinander kuscheln. Schon während des Beschleunigungsvorgangs lassen sich sehr kurze Ionenpakete mit einer Dauer von 50 Nanosekunden erzeugen, die dann beim Aufprall auf das Target auch zu gleichermaßen kurzen Paketen aus neuen Atomkernen führen. Kein glücklicher Zufall, sondern eine Voraussetzung für den nun folgenden Prozess des "Debunchens".

Zwei Parameter kann man sich dazu ansehen: Die Impulsverteilung und die Zeitkomponente. Diese beiden Angaben spannen zusammen einen Phasenraum auf, in dem sich die Ionen bewegen. Um die Impulsverteilung des Pakets aus neuen Atomkernen für die Kühlung zu reduzieren, können die Forscher einen Kniff anwenden: Indem der Debuncher ein Paket im Phasenraum dreht, wird eine breite Impulsverteilung zu einer zeitlichen Länge entzerrt und umgekehrt ein kurzes Paket zu einer kleinen Impulsverteilung zusammengeschoben. Diese Methode reduziert die Impulsverteilung im CR auf ein Drittel. Danach verteilen die Debuncher den Teilchenstrahl über den ganzen Ring und produzieren so einen kontinuierlichen Strahl ("coasting beam"), der nun für die stochastische Kühlung vorbereitet ist.

Die Betriebsfrequenz der Debuncher liegt von 1,1 bis 1,5 Megahertz, und jedes Gerät liefert bei der Paketdrehung eine Spannung von 40 Kilovolt, in Summe also 200 Kilovolt. Die Debuncher sind ein deutscher Sachbeitrag für FAIR, ein sogenanntes In-Kind, für dessen Lieferung GSI verantwortlich ist. "Wir haben die Spezifikationen und ein konzeptionelles Design erarbeitet und die Geräte dann für ein detailliertes Design und die Fertigung ausgeschrieben", berichtet Dr. Ulrich Laier aus der FAIR-Projektabteilung "Ring RF". "Drei Firmen waren nun mit der Ausführung der drei Hauptkomponenten des ersten Geräts betraut und werden nach unserer Abnahme auch die weiteren Debuncher bauen." Die Firma RI Research Instruments aus Bergisch-Gladbach baute die Kavität, die Firma Ampegon PPT GmbH aus Dortmund den Verstärker und die Firma OCEM Power Electronics aus Bologna, Italien, das Netzteil.


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Im Gespräch
Gruppenbild
Rotation im Phasenraum
Dr. Ulrich Laier (l.) aus der Abteilung "Ring RF" im Gespräch mit Frank Wieschenberg (m.) von Ampegon und Nisha Joshy von RI Research Instruments vor dem Debuncher.
v.l.n.r.: Nisha Joshy (RI Research Instruments), Thomas Winnefeld (GSI), Dr. Ulrich Laier (GSI), Dr. Guido Blokesch (Ampegon), Dr. Oleksiy Dolinskyy (GSI), Frank Wieschenberg (Ampegon), Johannes Hottenbacher (RI Research Instruments)
Indem der Debuncher ein Paket im Phasenraum dreht, wird eine breite Impulsverteilung zu einer zeitlichen Länge entzerrt und umgekehrt ein kurzes Paket zu einer kleinen Impulsverteilung zusammengeschoben.
Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
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Bild: GSI