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14.08.2017 | Erfolgreiche Demonstration eines neuen supraleitenden RF-Kavität-Designs mit Strahl

Foto: Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Der Demonstrator des Dauerstrich-Linacs und das Entwickler-Team.

Foto: F. Dziuba/Helmholtz Institut Mainz

Blick in den Dauerstrich-Linac.

Foto: Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Der supraleitende Linac erzeugt einen kontinuierlichen Teilchenstrahl.

 

Physiker und Ingenieure des Helmholtz-Instituts Mainz und der Goethe-Universität Frankfurt haben in Zusammenarbeit mit der GSI ein neues Design für eine supraleitende CH-Kavität (Crossbar H-Mode) mit Strahl getestet. Das ist ein Meilenstein für den vorgeschlagenen supraleitenden Dauerstrich- oder cw-Linac (engl. continuous wave), der der Forschung bei GSI und FAIR mit seinem kontinuierlichen Teilchenstrahl neue Möglichkeiten eröffnen kann. Er ist unter anderem besonders gut für die Erzeugung neuer chemischer Elemente geeignet.

Die Demonstrator des Dauerstrich-Linacs, der aus einer CH-Kavität besteht, wurde im Juni und Juli 2017 erstmals mit Strahl an einer Testanlage am GSI Helmholtzzentrum mit Schwerionenstrahl untersucht. Dabei wurden Argon-Ionen in die neuartige Beschleunigungsstruktur eingespeist und beschleunigt. „Wir haben mit dem Demonstrator des Dauerstrich-Linacs volle Teilchentransmission bis hin zur angestrebten Strahlenergie erreicht“, sagt Dr. Winfried Barth, Leiter des Entwicklungsteams des Dauerstrich-Linacs. „Mit einer Beschleunigungsspannung von 1,6 Megavolt beschleunigte der Demonstrator des Dauerstrich-Linacs auf einer Strecke von nur 70 cm ein Schwerionenstrahl mit einer Intensität von 1,5 Partikel-Mikroampere auf die Zielenergie“, beschreibt Barth den Erfolg des Tests. Damit sind die Funktion und die Leistungsfähigkeit des neuen Designs der CH-Kavität bestätigt, dessen Entwicklung vom Helmholtz-Institut Mainz über das Beschleuniger-R&D-Programm „Matter and Technologies“ der Helmholtz Gemeinschaft wesentlich finanziert wird.

Dass der vorgeschlagene Dauerstrich-Linac einen kontinuierlichen Teilchenstrahl liefern würde, ist vor allem für die Erzeugung und Untersuchung von superschweren-Elementen interessant – ein traditionelles Arbeitsfeld an der GSI, dem Helmholtz-Institut Mainz und der Universität Mainz. Bei GSI wurden  sechs neue Elemente entdeckt und ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften untersucht. Neben dem Schwere Elemente-Programm werden auch die Experimente der Materialforschung von dem kontinuierlichen Strahl des vorgeschlagenen neuen Linac profitieren.

„Gegenüber dem vorgeschlagenen supraleitenden Dauerstrich-Linac, wäre ein normalleitender Beschleuniger deutlich länger gewesen. Außerdem könnten die hohen elektromagnetischen Felder nur unter sehr hohem Energieaufwand erzeugt werden und der Beschleuniger hätte zudem sehr gut gekühlt werden müssen,“ erklärt Dr. Florian Dziuba. Er hat die CH-Kavität, die Hoch-Frequenz-Beschleunigerstruktur, die das Herzstück des Dauerstrich-Linacs ist, im Rahmen seiner Promotion an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelt, konstruiert und in Betrieb genommen.

Die kompakte Bauweise des supraleitenden Dauerstrich-Linacs kann somit in Zukunft Platz und erhebliche Ressourcen sparen. Auf 13 Metern Länge soll er die Ionen auf maximal 10% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. „Die dazu erstmals verwendete Multizellenstruktur ist die komplexeste supraleitende Hochfrequenz-Struktur, die je gebaut und mit Ionenstrahl betrieben wurde“, erklärt Dziuba, der mittlerweile am Helmholtz-Institut Mainz angestellt ist.

Das jetzige Testmodul des Dauerstrich-Linacs ist ca. 2,20 m lang und hat einen Durchmesser von 1,10 m. Um Supraleitung zu erreichen wird das aus dem Material Niob bestehende Innere auf -269°C herunterkühlt. „Dass der Demonstrator die erwartete “Performance“ zeigt, ist ein toller Erfolg für das gesamte Team und zeigt, dass das neue Design der CH-Kavität zukunftsweisend ist“, sagt Barth.

Über das Helmholtz-Institut Mainz

Das Helmholtz-Institut Mainz (HIM) wurde 2009 von dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gegründet, um die langjährige Kooperation der beiden Institutionen weiter zu stärken. An seinem Standort in Mainz befasst sich das HIM mit Fragen zur Struktur, Symmetrie und Stabilität von Materie und Antimaterie in experimentellen und theoretischen Untersuchungen. Die Grundfinanzierung erfolgt durch den Bund und das Land Rheinland-Pfalz. Die JGU unterstützt das HIM durch die Bereitstellung von Infrastruktur.


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Der Demonstrator des Dauerstrich-Linacs und das Entwickler-Team.
Blick in den Dauerstrich-Linac.
Der supraleitende Linac erzeugt einen kontinuierlichen Teilchenstrahl.
v. l.: Maksym Miski-Oglu, Winfried Barth, Alexander Schnaase, Stephan Yaramyshev, Victor Gettmann, Manuel Heilmann, Florian Dziuba
Foto: Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Foto: F. Dziuba/Helmholtz Institut Mainz
Foto: Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH