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Verbesserte Emittanzmessung an Beschleunigeranlagen – Über 360.000 Euro Förderung durch LOEWE-Initiative

Foto: C. Pomplun, GSI

ROSE-Prototyp

 

31.05.2019

Das von zwei GSI-Forschern entwickelte ROSE-System (ROtierender Scanner für 4-dimensionale Emittanzmessungen) wird von der hessischen Förderinitiative LOEWE mit mehr als 360.000 Euro ab Mai 2019 für einen Zeitraum von drei Jahren gefördert. Ziel des aktuellen Projekts ist die Entwicklung und Systemintegration eines Software-Pakets für ROSE. Antragsteller ist die mit GSI kooperierende Firma NTG – Neue Technologien GmbH in Gelnhausen, ein Großteil von rund 200.000 Euro der Summe wird jedoch als Personalmittel an GSI fließen.

ROSE ist ein neuartiges System zur Vermessung der vierdimensionalen (4D) transversalen Ionenstrahlemittanz. Das ist das Volumen, das ein Ionenstrahl im transversalen Phasenraum einnimmt. Kenntnis und Manipulation der Emittanz der Ionen im Beschleuniger sind relevant für die Verbesserung der Strahlqualität. Bisher konnten für Schwerionen mit Energien oberhalb 100 Kiloelektronenvolt pro Nukleon nur die horizontalen und vertikalen Projektionen des 4D-Phasenraumes gemessen werden. Dieser Messung fehlen Informationen zur Kopplung dieser Ebenen, da sie nur ein Schattenbild des eigentlichen Volumens im Phasenraum darstellen. Die Forscher Dr. Michael Maier und Dr. Chen Xiao aus dem GSI-Bereich Beschleunigerbetrieb haben deshalb die drehbare Emittanzmessanlage ROSE bei GSI entwickelt. Dem Betriebspersonal von Schwerionen-Beschleunigeranlagen wird damit erstmals ein universell einsetzbares Messmittel an die Hand gegeben, mit dessen Hilfe sich die Kopplungen der Ebenen messen lassen. In Folge können die Anlagen deutlich effizienter eingestellt werden.

„Zusätzlich zur vollständigen 4D-Vermessung der transversalen Strahlemittanz kann durch die Drehbarkeit der Anlage eine Messebene eingespart werden, weil alle Raumrichtungen von einem Gerät angefahren werden können“, beschreibt Maier seine Erfindung. „Da der Drehantrieb deutlich günstiger ist als die notwendige Elektronik für eine zusätzliche komplette Messebene, reduziert das in Folge die Kosten für eine Emittanzmessanlage.“

Das im geförderten Projekt zu entwickelnde und in das Gesamtsystem von ROSE zu integrierende Software-Paket soll die momentan getrennten vier erforderlichen Teilfunktionen Planung, Steuerung, Messung und Auswertung der 4D-Emittanzmessung erstmals vereinen. Im Projekt wird dieses Software-Paket zusammen mit den bereits zuvor entwickelten Komponenten ROSE-Detektor und dem elektronischen Steuerungssystem „Robomat“ (zuvor bereits gefördert durch das WIPANO-Projekt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie) als Prototyp des 4D-Emittanz-Komplettsystems „ROSE“ aufgebaut werden. Außerhalb des Projekts wird der Prototyp bei GSI im Routinebetrieb getestet, gemeinsam mit NTG optimiert und letztendlich von NTG auf dem Markt als Komplettsystem angeboten werden. Der bei GSI im Routinebetrieb eingesetzten Prototyp soll NTG zudem als Demonstrator dienen.

„Für die Nutzer liegen die klaren Vorteile in einer kürzeren Messdauer, weniger Aufwand an hochqualifiziertem Personal für die Planung und Durchführung der Messung, der späteren Möglichkeit den Strahl direkt korrigieren zu können sowie der möglichen Minimierung von Installations- und Betriebskosten der Beschleunigeranlage“, erläutert Martina Bauer, die das ROSE-Projekt im Rahmen des GSI-Technologietransfers betreut, die Vorzüge der neuen Technik. „ROSE ist funktional als auch betriebswirtschaftlich einem Großteil der aktuell verfügbaren 2D-Emittanzmessanlagen überlegen und kann diese bei Updates bestehender Anlagen generell ersetzen oder aber bei neuen Beschleunigeranlagen direkt eingesetzt werden. In Deutschland arbeiten gegenwärtig mindestens zehn Forschungseinrichtungen sowie etliche Firmen mit für ROSE geeigneten Anlagen. Nach Aussage des Kooperationspartners NTG finden sich in oben genannten Bereichen europaweit mehr als 100 Interessenten, wobei ein weitaus größeres Potenzial insbesondere der asiatische Raum bietet.“

Prognosen rechnen mit einem weltweiten Marktanteil von etwa 20% und einer signifikanten Steigerung des Umsatzes um 250% im Bereich Strahldiagnose und entsprechend einem deutlich positiven Effekt bezüglich der Anstellung von dediziertem Personal durch die Firma NTG. Zudem ermöglicht die ROSE-Emittanzmessung die Durchführung zahlreicher neuer Forschungsprojekte im Bereich Beschleunigerphysik. Insbesondere im Hinblick auf das Großprojekt FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) und die in diesem Rahmen geplanten wissenschaftlichen Experimente sind die durch ROSE neu eröffneten technischen Möglichkeiten ein wesentlicher Baustein, um die Anforderungen der neuen, weltweit einzigartigen Beschleunigeranlage, die aktuell bei GSI in Darmstadt gebaut wird, zu erfüllen. (cp)


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ROSE-Prototyp
Dr. Tobias Engert (r.) und Dr. Alicja Surowiec vom Technologietransfer nehmen im GSI-Linearbeschleuniger UNILAC den ROSE-Prototypen in Augenschein, eine Entwicklung von Dr. Michael Maier (l.) und Dr. Chen Xiao (2. v. l.), mit der sich die Emittanzmessung des Ionenstrahls verbessern lässt.
Foto: C. Pomplun, GSI