Glänzende Zukunft – Erstes Serienmodul für das UNILAC-Alvarez-Upgrade im Test

15.07.2021

Höchste Qualität und spiegelnder Glanz: Im Inneren des sogenannten Alvarez-Beschleunigers, eines 55 Meter langen Teils des GSI-Linearbeschleunigers UNILAC, sticht die hochwertige Kupferoberfläche besonders hervor. Aufgrund der Ertüchtigungsmaßnahmen für den Betrieb mit der neuen Beschleunigeranlage FAIR, die gerade errichtet wird, erfährt auch die bestehende GSI-Anlage viele Verbesserungen. Eine davon ist der Austausch des bestehenden Alvarez gegen eine neue, verbesserte Beschleunigerstruktur vom Typ Alvarez. Ein erstes Serienmodul (First of Series – FoS) ist nun fertiggestellt und befindet sich im Test.

Der Linearbeschleuniger UNILAC (Universal Linear Accelerator) dient als erste Beschleunigungsstufe, um Ionen auf Tempo zu bringen. Der im hinteren Bereich des 120 Meter langen UNILAC liegende Alvarez-Abschnitt bringt sie von 5% auf 15% der Lichtgeschwindigkeit, damit sie in den GSI-Ringbeschleuniger eingespeist, weiterbeschleunigt und später in die FAIR-Anlage geleitet werden können. Da der bestehende, fast 50 Jahre in Betrieb befindliche Alvarez die hohen Anforderungen für FAIR nicht erreichen kann, fiel die Entscheidung für einen Austausch.

Die neuen Komponenten vereinen große Dimensionen im Meterbereich mit hoher Präzision im Submillimeterbereich. Innenseitige Oberflächen müssen in höchster Qualität mit Rauigkeiten von wenigen Mikrometern gefertigt sein, um später die Verkupferung aufbringen zu können. Eine große Herausforderung für die auf Großkomponenten spezialisierte GSI-Galvanik stellt aufgrund der notwendigen Homogenität auch die Kupferbeschichtung selbst dar. Nur mit ihr können die Geräte ihre „glänzende“ Zukunft im Beschleuniger antreten.

„Eine weitere Spezialität sind die in die Driftröhren der Struktur eingebauten Quadrupolmagnete, die während der Beschleunigung für eine Fokussierung des Strahls sorgen. Auch hier müssen Herstellung, Einbau und Justage exakt stimmen, um die Magnetfeldqualität zu wahren“, erläutert Beschleunigerphysiker Dr. Lars Groening, der die zuständige Abteilung „UNILAC Post Stripper Upgrade“ leitet. „Die Quadrupole haben wir gegenüber dem Bestands-Alvarez stark verbessert: Sie fokussieren stärker und können durch schnelle Umtastung im quasi-gleichzeitigen Betrieb mit mehreren Ionenarten optimale fokussierende Eigenschaften für jede Sorte gewährleisten. Das ist für FAIR unverzichtbar.“

In das Projekt sind viele der technischen Abteilungen von GSI/FAIR involviert. Nach umfangreicher Planung erfolgten Design und Konstruktion der Bauteile. Eine erste neue FoS-Alvarez-Komponente wurde in 2019 geliefert und auf dem Campus zusammengesetzt. Zunächst erfolgten Tests auf die spezifizierten Eigenschaften wie Dimensionen, Toleranzen und Oberflächenqualität der Innenseite sowie der Eigenschaften der elektromagnetischen Felder bei geringen Leistungen. Im vergangenen Jahr 2020 erhielt die Struktur dann ihren charakteristischen Glanz: Sie wurde erfolgreich in der GSI-Galvanik verkupfert und ist nun bereit für Tests im Hochleistungsbetrieb.

Besteht der FoS alle Tests, werden 25 Sektionen in Serienfertigung hergestellt. Auch sie müssen eine definierte Abnahmeprozedur und Tests der hochfrequenten elektromagnetischen Felder durchlaufen. Hierzu werden jeweils fünf Sektionen zu einer Kavität mit drei Tonnen schweren Enddeckeln an jeder Seite und den Driftröhren zusammengeschaltet, so dass insgesamt fünf Kavitäten getestet werden. Erst nach diesem sorgfältigen Testprogramm kann der Austausch des Bestands-Alvarez durch die fünf neuen Alvarez-Kavitäten im UNILAC-Tunnel beginnen, der rund eineinhalb Jahre dauern soll. (CP)



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