Beschleunigerphysik und Detektorintegration

Die Sektion ACID („Accelerator Design and Integrated Detectors“ - ACID) baut auf der weltweit sichtbaren Kompetenz der JGU-Gruppen durch die Entwicklung und den ständigen Ausbau des 1,6 GeV Elektron-Dauerstrichbeschleunigers MAMI auf. ACID verfolgt Beschleunigerforschung auf Gebieten, die im Rahmen von zukünftigen Projekten von GSI/FAIR direkt anwendbar sind. Dazu gehören der Hoch-Energie-Speicher-Ring (HESR) an FAIR, der SHE-Linac des GSI und nicht zuletzt das ambitionierte ENC@FAIR Projekt, bei dem erstmalig hochenergetische Elektronenstrahlen in Darmstadt mit Hadronstrahlen an FAIR kombiniert werden. Ein nachhaltiger Erfolg auf dem Gebiet der Supraleitenden-Radio-Frequenz (SRF) erfordert eine aufwändige Infrastruktur, z.B. den Betrieb großer Reinräume zur Montage der Kavitäten und der Anwendung aggressiver Chemikalien in geeigneten Laboren. Durch die Bereitstellung dieser Infrastruktur im Rahmen der Errichtung eines Forschungsbaus wird die exzellente Position der Universität Mainz auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik, die sie u.a. durch die Konzeption neuer Beschleunigerkonzepte und deren Verwirklichung in den verschiedenen Ausbaustufen des Mainzer Mikrotron-Beschleunigers (MAMI) erworben hat, weiter gefestigt und ausgebaut.

Die Abteilungen SPECF, MAM, SHE, EMP  bilden die Säulen der Forschung am HIM, die von den übergreifenden Abteilungen THFL und ACID unterstützt werden. Die Aufgabe von ACID besteht darin, innovative beschleunigerphysikalische Methoden zum Nutzen der Grundlagenforschung, speziell also der Hadronenphysik zu entwickeln und einzusetzen.

ACID bietet bereits heute den Rahmen für erfolgreiche Kollaborationen mit benachbarten Hochschulen und Instituten, die eine führende Position bei der Entwicklung von Beschleunigerkavitäten, deren innovatives Potential auf dem Einsatz von SRF-Techniken beruht, ermöglichen. Dabei sind die Zeitskalen und die strategischen Perspektiven unterschiedlich. Sie reichen von der nächsten Zukunft (Projekt: cw-LINAC) über mittelfristige, aber trotzdem klar definierte Aufgabenstellungen (Projekt: HESR-Kühler), bis zu Projekten von strategischer Bedeutung, die dann naturgemäß langfristig angelegt sind und eine weitaus stärkere Forschungs- und Entwicklungskomponente (F&E) aufweisen (Projekt: ENC@FAIR).

Beschleunigertechnologisch gründen sich die Projekte auf die Anwendung der Supraleitung. Der Umgang mit supraleitenden Beschleunigerstrukturen erfordert eine Infrastruktur, die sich durch höchste Staub- und Partikelfreiheit auszeichnet. Nur für den Fall reinster Oberflächen sind auch höchste Beschleunigungsfelder zu erreichen. Dazu müssen die Oberflächen der supraleitenden Strukturen im Vorfeld aufwendig aufbereitet werden. Die Bereitstellung einer solchen Infrastruktur zur Präparation supraleitender Oberflächen im Rahmen der Errichtung des HIM Gebäudes würde eine Versorgungslücke für die Hochschulen und Institute in Süd- und Westdeutschland hinsichtlich der SRF-Technologie schließen.

cw-LINAC

Der Dauerstrich (cw) -Linac für mittelschwere Ionen bei GSI ist in das Gesamtkonzept der zukünftigen Beschleunigeranlage mit den existierenden Anlagen des GSI als Injektor für FAIR integriert. Zudem soll der cw-LINAC die Forschung auf dem Gebiet der Superschweren Elemente vorantreiben. Aber auch für weitere zukünftige Protonen- und Ionen-Beschleunigerprojekte und Anwendungen, wie z.B. die Transmutation (Eurotrans, Myrrha) oder die Kernphysik mit radioaktiven Strahlen (EURISOL), sind sowohl höchste Tastverhältnisse bis hin zum Dauerstrichbetrieb als auch höchste Beschleunigungsfelder wünschenswert. Supraleitende Kavitäten eignen sich für diesen Zweck besonders gut.

Eine sehr kompakte und effiziente SRF Beschleunigungstruktur ist die am Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Frankfurt entwickelte Cross-bar H-Mode (CH) Struktur. Im Gegensatz zu den vertrauteren Einzellen-Kavitäten ist es hier gelungen mehrere Beschleunigungsstrecken (10-20) hintereinander als eine Vielzellenstruktur in äußerst kompakter Art unterzubringen. Erste SRF-Tests der CH-Struktur wurden bereits am IAP erfolgreich durchgeführt. Für "full performance" Tests mit Strahl bei GSI ist die erste Sektion des cw-Linacs als Demonstrator geplant. Für die Realisierung des Demonstrators kollaboriert das HIM mit dem IAP und der GSI. Darüber hinaus soll sich das HIM wesentlich bei der Realisierung des kompletten cw-LINAC bei GSI beteiligen. Die im Rahmen dieses Forschungsbaus beantragte Infrastruktur und Fertigungseinheit für supraleitende Kavitäten, erlaubt die Erweiterung der lokalen Expertise aus supraleitenden Technologien.

HESR-Kühler

Der Hochenergiespeicherring im FAIR-Komplex wird Antiprotonen bis zu einem Impuls von 15 GeV/c speichern und im Bereich des PANDA Detektors in einem Wasserstofftarget annihilieren. Solche Experimente erfordern eine effiziente Strahlkühlung, die durch Überlagerung eines parallellaufenden Elektronenstrahls gleicher Geschwindigkeit (Elektronenkühlung) erzielt wird. Hierbei werden die JGU-Gruppen durch ihre Expertise im Bereich der Elektronenbeschleuniger und -quellen, sichtbare Beiträge liefern können und ihr Profil durch die Entwicklung neuer Techniken im Bereich sehr hoher Elektronenströme schärfen. Dies erfordert im Falle des HESR einen 4.5 MeV d.c.-Elektronenstrahl mit etwa 1 Ampere Stromstärke, der in einer 23 Meter langen Strecke mit dem Antiprotonenstrahl wechselwirkt. Die Kühlung muss in einem extrem homogenen Magnetfeld (dB/B=10-5) stattfinden, das von 623 in Serie geschalteten Solenoiden erzeugt werden soll.

  • ACID wird kritische Komponenten dieses Großgeräts in den Laborräumen des HIM-Gebäudes testen. Dies gilt speziell für die hochpräzise Justage der einzelnen Solenoide relativ zueinander, die für das Erreichen der angestrebten Feldhomogenität entscheidend ist.
  • Für das strategische ENC Projekt ist der Ausbau des HESR Kühlers auf 8 MV und 3 Ampere Strahlstrom entscheidend. Die entsprechende Leistung muss dem Strahl entzogen werden, indem man ihn das Beschleunigungspotential wieder „hinauflaufen“ lässt. Dabei führen Raumladungseffekte und Sekundärelektronenemission zu störenden Effekten, die im gegebenen Parameterbereich noch ungenügend erforscht sind. Die Mainzer Beschleunigergruppe baut zurzeit einen Teststand auf, der die Effektivität der Rückgewinnung der kinetischen Energie der Elektronen von besser als 99.999% bei 3 A demonstrieren soll.
  • Ein besonderes Problem ist die Bereitstellung von elektrischer Leistung für die fokussierenden Linsen im 8 MV Beschleunigungskanal des Kühlers. Hier ist zurzeit noch unklar, welches die beste Technologie ist, z.B. werden kaskadierte Gasturbinen, die mit dem Isoliergas des Beschleunigungstanks angetrieben werden, diskutiert. Eine Pilotanlage aus Schweden wird zurzeit in Mainz getestet.

ENC@FAIR

Hierbei handelt es sich um eine originär von Mainzer Experimentalphysikern aus dem Bereich Hadron- und Beschleunigerphysik vorgeschlagenes Projekt. Die Idee ist hierbei die Mainzer Erfahrung im Bereich der „Elektronstrahlen“ mit der GSI-Expertise auf dem Gebiet der „Hadronstrahlen“ zu koppeln. Die bisherigen Arbeiten dienten der konzeptionellen Auslegung von ENC@FAIR. Nach Abschluss dieser Arbeiten wird man – ähnlich wie im Falle des Kühlers – kritische Komponenten in der Laborumgebung des neuen HIM-Gebäudes testen. Dazu gehören Hochfrequenzstrukturen sowohl für den Elektronen- als auch für den Ionenspeicherring des ENC. Des Weiteren sollen Hochtemperatursupraleiter als geeignete Magnetfeldabschirmung in den Protonenseparationsdipolen der Wechselwirkungszone untersucht werden.

ACID im HIM-Gebäude

Um die für die gewünschten Forschungsvorhaben notwendigen Entwicklungsarbeiten voranzutreiben, ist eine Montagestraße für SRF-Beschleunigerstrukturen unter höchsten Reinraumbedingungen mit dem Ziel einen vormontierten, versiegelten Strang zu erhalten. Diese Fertigungseinheit wird als Großgerät hier beantragt. Um die Qualität der Oberflächenbehandlung direkt nach der Endmontage zu überprüfen, ist eine SRF-Testumgebung in unmittelbarer Nähe zum Reinraumkomplex vorgesehen. So könnten die Tauglichkeit der supraleitenden Kavitäten unter Betriebsbedingungen getestet werden. Ein verbunkerter Laborraum sowie die entsprechende kryogene Umgebung sind hierzu zwingend erforderlich. Darüber hinaus werden angemessene Laborflächen, z.B. für die Ausrichtung der 623 in Reihe geschalteten Solenoide (HESR Kühler), benötigt.

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Kontakt

PD Dr. Kurt Aulenbacher

Sektionsleiter

ACID 1

Institut für Kernphysik

Johannes Gutenberg-Universität

aulenbac(at)kph.uni-mainz.de

 

Dr. Winfried Barth

Kommissarischer Sektionsleiter

ACID 2

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

w.barth(at)gsi.de