SIS18 - Gepulste Magnete für Injektion und Extraktion des Ionenstrahls

 

Der Kicker besteht aus insgesamt 9 schnellen, gepulsten Magneten. (Abmaße des Ferrits B*H*T= 23,5 cm * 12,5 cm * 25 cm). Die Abbildung zeigt ein Beispiel eines solchen Magneten. Bei der verwendeten Bauform als „Windowframe“-Magnet, wird ein Strom von bis zu 1600 A entlang der rot eingezeichneten Linien getrieben. Dieser Strom erzeugt ein senkrecht stehendes Magnetfeld (grüne Pfeile), das den positiven Ionenstrahl (orange) auf eine Kreisbahn zwingt. Am ESR steht eine baugleiche Anlage, bestehend aus 3 Modulen.

 

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Diese Magnete sind in zwei Vakuumtanks verbaut und werden für die schnelle Extraktion des Strahls für Experimente mit hoher Strahlintensität benötigt. Dabei kann der Beschleunigerring innerhalb eines Umlaufs der Teilchen komplett geleert werden.

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Durch die Beschleunigung mit Hochfrequenz befindet sich im Strahlrohr kein gleichförmiger Strahl sondern Pakete – sogenannte „Bunche“ – die mittels des Kickers auch einzeln extrahiert werden können. An die Kicker werden daher hohe Anforderungen gestellt:
Das Magnetfeld muss innerhalb 100 ns auf-, bzw. abgebaut werden, damit die Lücke zwischen den Bunchen getroffen wird. Die Pulshöhe muss möglichst eben sein, um die Winkelvariation der extrahierten Strahlpakete klein zu halten. Zudem muss die Pulslänge variabel sein, um bei unterschiedlichen Strahlenergien die gewünschte Anzahl von Bunchen zu extrahieren. Hierbei liegt die maximale Pulslänge bei 3 µs. Für die Erzeugung des Stromimpulses von 1600 A werden Spannungen von 80000 V benötigt. Die Pulserzeugung geschieht mittels Entladung eines Kabels auf ein impedanzangepasstes System.

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Für die SIS18 Kicker wird die benötigte Hochspannung mittels eines resonanten Ladeverfahrens generiert. Ein Kondensatorladegerät lädt dabei eine Bank mit 100 Kondensatoren auf bis zu 260 V, die anschließend durch einen elektronischen Leistungsschalter auf einen Hochspannungstrafo geschaltet werden. Mit einer Halbwelle wird somit das 300 m lange Ladekabel auf bis zu 80000 V geladen. Die Pulserzeugung wird mit Gasentladungsschaltern (Thyratrons) gesteuert. Diese Schalter können zum gewünschten Zeitpunkt gezündet werden und bleiben leitend, bis der Stromfluss selbstständig aufhört. Daher ist neben dem Main Thyratron, das das geladene Ladekabel auf die Transmissionsleitungen schaltet auch ein Dump-Thyratron nötig um den Puls zu kürzen. Das Funktionsschema ist u. a. im Abschnitt „Pulsgenerator aus Leitungskreisen" bei Wikipedia beschrieben.

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Der reale Aufbau dieser Schaltung hat einen größeren Platzbedarf. Bei der genutzten Hochspannung ist eine Isolation mittels Öl notwendig. Dieses wird auch zur Kühlung der Thyratrons verwendet. Im Gleichrichtertank ist neben den Dioden auch noch ein Messteiler für die Diagnose untergebracht. Die Kabeltrommeln im Hintergrund des Bildes, auf welchen das rote Ladekabel aufgerollt zu sehen ist, haben einen Durchmesser von ca. 2,5 m.

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Thyratron-Schaltung

 

 


 

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