Abteilung Beschleunigerphysik

Physik intensiver Ionenstrahlen 

Die GSI Abteilung Beschleunigerphysik trägt durch die Entwicklung computergestützter Modelle und durch begleitende Messungen an intensiven Ionenstrahlen zur Optimierung der GSI und FAIR Anlagen bei.

 

Beschleunigeranlagen für intensive Ionenstrahlen

Die existierenden GSI Beschleunigeranlagen sowie die geplanten Anlagen im Rahmen des FAIR Projekts stehen im Fokus der Aktivitäten der Abteilung. Weiterhin gibt es enge Zusammenarbeiten mit der europäischen Großforschungseinrichtung CERN und mit den Brookhaven National Laboratory (USA).  

 

Entwicklung und Überprüfung von Computermodellen für Ionenstrahlen

Die Mitglieder der Abteilung liefern durch die Entwicklung und Auswertung von Computermodellen wesentliche Beiträge zur Kontrolle und Messung von intensiven Ionenstrahlen in den GSI und FAIR Anlagen. Da die Modelle immer nur einen Teilbereich der kollektiven Wechselwirkung abbilden können, ist die Überprüfung der Modelle durch gezielte Experimente entscheidend. Diese Messungen werden hauptsächlich an den Anlagen der GSI sowie des CERN durchgeführt.

 

Kollektive Effekte in Ionenstrahlen

Wichtige Leistungsparameter moderner Beschleunigeranlagen sind vor allem die Intensität und die Qualität des beschleunigten Ionenstrahls. Diese werden hauptsächlich durch kollektive Effekte beschränkt, welche durch die elektromagnetische Wechselwirkung der Strahlionen untereinander (Raumladung), mit der Beschleunigerumgebung (Impedanzen) sowie mit Sekundärelektronen (Elektronenwolken) hervorgerufen werden.  

 

Impedanzen

Die Resistive-Wand-Impedanz ist die hauptsächliche Ursache für Instabilitäten in Synchrotrons und Speicherringen. Der Realteil der dipolaren transversalen Koppelimpedanz kann transversale Strahlinstabilitäten antreiben. Für SIS18 sowie im geplanten SIS100 ist der resistiver Anteil der transversalen Koppelimpedanz durch das Strahlrohr bei niedrigen Frequenzen dominiert. 

Um Wirbelstromeffekte während der Magnetrampe zu verkleinern, wird das SIS100 Strahlrohr sehr dünn sein. Aufgrund von mechanischen und vakuumtechnischen Gründen wird das SIS100 Strahlrohr mit Stabilisierungsstreben und Kühlungsröhrchen gebaut.  

Für solche komplizierten Strukturen kann die Koppelimpedanz nicht mehr analytisch bestimmt sondern muss mit numerischen 3D elektromagnetischen Frequenzbereichssimulationen berechnet werden. Zur Berechnung der Koppelimpedanz von Beschleunigerelementen kann z.B die Software CST EM Studio verwendet werden. 

 

Neue kollektive Beschleunigungsmechanismen

Ein weiterer Schwerpunkt der Abteilung sind Simulationen der Experimente mit dem Hochleistungslaser PHELIX. Im sog. Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) Prozess trifft ein Laser auf eine dünne Folie, die sofort ionisiert wird. Die Elektronen verlassen das Material wesentlich schneller als die viel schwereren Ionen, dadurch wird ein starkes Raumladungsfeld erzeugt. Eine dünne Verunreinigungsschicht auf der Folie, die unter anderem aus Protonen besteht, wird in diesem Raumladungsfeld beschleunigt. Die Beschleunigung findet auf einem μm-Bereich hinter dem Target statt. Das injizieren dieses Strahls in eine gewöhnliche periodische Fokusierungsstruktur (m-Bereich) ist ein Multi-Skalenproblem, welches nur mit verschiedenen, getrennten Codes in unabhängigen Raum- und Zeitskalen simuliert werden kann.  

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SIS18 Resonanzdiagramm (Messung)
Das SIS100 Strahlrohr mit den Kühlungsrörchen und den Stabilisierungsstreben
Das durch eine dipolare Anregung bei 10 kHz erzeuge longitudinale elektrische Feld im SIS100 Strahlrohr
Laserionenbeschleunigung
Abteilungsleitung

 

Prof. Dr. Oliver Boine-Frankenheim

Tel.: +49-6159-71-2408

Ort: C27.3.015

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Stellvertretung

 

Dr. Sabrina Appel

Tel.: +49-6159-71-1534

Ort: C27.3.016

 

 

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