Dem Atomkern auf der Spur mit dem HESR an der Forschungsanlage FAIR in Darmstadt
Auf dem Gelände des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt entsteht z.Zt. auf einer Fläche von 20 Hektar einer der größten Forschungsanlagen der Welt entstehen: FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research. Der neue Beschleunigerkomplex soll extreme Zustände wie die ersten Mikrosekunden nach dem Urknall im Labor nachbilden. Das Forschungszentrum Jülich ist dabei für die Entwicklung und den Bau des Hoch-Energie-Speicher-Rings (HESR), der zweitgrößte Ringbeschleuniger der Anlage, verantwortlich.
Die weltweit einmalige FAIR-Anlage wird Hochenergiephysikern die Möglichkeit bieten Ionen aller Elemente, vom Wasserstoff bis zum Uran, und Antiprotonen zu beschleunigen. Dabei werden Ionenstrahlen mit bisher unerreichter Intensität und Qualität für eine Vielzahl von parallel laufenden Experimenten zur Verfügung gestellt, damit Physiker den inneren Aufbau von Atomkernen und die Bindungskräfte in ihnen erforschen können.
Wissenschaftlicher Nutzen
Die Vergangenheit zeigt, dass die Forschung an Teilchenbeschleunigern oft erst nach Jahren zu alltagsrelevanten Ergebnissen führt. So nutzen Mediziner den um 1930 entdeckten schwachen Eigendrehimpuls von Atomkernen (Kernspin) heute bei bildgebenden Verfahren zur Darstellung innerer biologischer Strukturen (Magnettomografie) oder sie beschleunigen Kohlenstoff-Ionen zur Tumortherapie im Kopfbereich. Chemikern hat die Kernspinspektroskopie neue Wege der Strukturanalyse eröffnet. Die Ionenstrahlen von FAIR könnten neue Methoden der Krebstherapie oder der Mikrostrukturierung von Werkstoffen ermöglichen, die für die Nanotechnik relevant sind.
Projektbeschreibung und Herausforderungen an das ZEA-1
Eine zentrale Aufgabe des ZEA-1 ist die Platzverwaltung des gesamten HESR-Rings und die ständige Aktualisierung des Layouts. Alle Komponenten des Beschleunigers und des Vakuumsystems wie z.B. Magnete, Pumpen und Vakuumkammern werden platziert und in Koordinaten eingemessen. Ebenso werden alle Versorgungseinrichtungen eingepflegt wie z.B. Rohrleitungen für die Medienversorgung und Schränke für Stromversorgung und Anlagensteuerung.
Der HESR wird aus einer etwa 575 m langen Strahlstrecke bestehen und 44 Dipolmagnete werden den Ionen-strahl um das Oval lenken. Jeder dieser 4,2 m langen Magnete erzeugt ein extrem konstantes Magnetfeld und hat mit knapp 35 t das Gewicht eines Schwerlasters.
Die 84 kleineren Quadrupolmagnete, jeweils 5 t schwer, dienen zur Strahl-fokussierung. Im Zusammenspiel mit weiteren Spezialmagneten zur Fein-justierung werden sie Ionen, die sich von der idealen Sollbahn entfernen, auf diese zurücklenken.