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14.04.2016 | Patentwürdig! – Konzept für neuartige Beschleunigerkomponente entwickelt

Bild: K. Sugita, GSI

Magnete im Vergleich

 

Ein neues Patent für den US-amerikanischen Markt wurde diesen Winter erteilt. GSI-Forscher Dr. Kei Sugita entwickelte ein neuartiges Konzept für einen Septummagnet, mit dem sich besonders starke und räumlich begrenzte Magnetfelder sowie eine kompakte Bauweise realisieren lassen. Denkbar wäre ein Einsatz in Beschleunigern in der Medizin und in der Forschung, wie beispielsweise an der zukünfigen Anlage FAIR. Ein Patent ist auch für Europa und Japan beantragt und steht in Europa kurz vor der Erteilung.

In Ringbeschleunigern werden Septummagnete genutzt, um einen Teilchenstrahl in den Beschleuniger einzufädeln oder auszulenken. Dazu sind starke Magnetfelder nötig, die den Strahl auf eine Kurvenflugbahn bringen. Gleichzeitig darf das Magnetfeld jedoch den im Ring umlaufenden Strahl nicht stören. Benötigt wird daher ein Magnet mit zwei durch eine Wand (Septum) getrennten Regionen, der auf einer Seite der Wand ein starkes, auf der anderen Seite jedoch nur ein verschwindendes Magnetfeld induziert.

Herkömmliche Elektromagnete nutzen eine Spule zur Erzeugung und ein rechteckiges Eisenjoch zur Formung des Magnetfelds. In Septummagneten ist das Joch an einer Seite offen (C-Form), um dort das Magnetfeld auf Null zu bringen. Sugitas Idee beruht auf einer anderen Magnetbauweise: Sogenannte Kosinus-Theta-Magnete werden hauptsächlich als supraleitende Magnete mit besonders hohen Feldstärken gebaut. Das neuartige Konzept ist nun, einen Kosinus-Theta-Magnet mit einem (in diesem Fall runden) Joch zu versehen, das an einer Seite abgeschnitten ist, um so das Feld dort auf Null zu bringen. Dies macht den Einsatz des Kosinus-Theta-Magnets als Septummagnet möglich.

Für Sugita, der in der GSI-Abteilung "SIS100/SIS18" arbeitet und ursprünglich aus Japan stammt, hat diese Arbeit eine ganz besondere persönliche Bedeutung: "Die Idee zu diesem Konzept hatte ich vor rund fünf Jahren, zum Zeitpunkt des katastrophalen Erdbebens in Japan. Ich habe damals sehr hart gearbeitet. Das war so ziemlich das einzige, das ich hier tun konnte. Damals war ich sehr beeindruckt von meinen Kollegen bei GSI, die eine Spendenkampagne organisiert und ein Programm für japanische Studenten ins Leben gerufen haben, die nicht an ihren Abschlussarbeiten an den japanischen Beschleunigern weiterarbeiten konnten. Das hat mich sehr motiviert. Ich hoffe, dass ich mit meiner patentierten Erfindung sowohl GSI als auch die internationale Beschleunigerforschung voranbringen kann."

Mit Sugitas Konzept könnten Septummagnete mit Magnetfeldern von mehr als zwei Tesla – die Grenze bei herkömmlicher Bauweise – realisiert werden.  Mit einer supraleitenden Spule sind in elektromagnetischen Simulationsrechnungen sogar bis zu acht Tesla erreichbar. Auch Quadrupol- oder Multipol-Septummagnete höherer Ordnung sind in dieser Bauweise denkbar. Die neuartige Form des Septummagnets könnte an Beschleunigern in der Medizin oder auch an zukünftigen Beschleunigern in der Forschung wie FAIR oder dem am CERN geplanten Future Circular Collider (FCC) eingesetzt werden.


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Magnete im Vergleich
a) herkömmlicher eisendominierter Magnet mit rechteckigem Joch, b) Kosinus-Theta-Magnet, runde Bauform, c) herkömmlicher Septummagnet mit angeschnittenem rechteckigen Joch, d) das neue Patent, Kosinus-Theta-Magnet mit angeschnittenem runden Joch
Bild: K. Sugita, GSI