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Kernphysikalische Großgeräte (IKP-4)
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PANDA Target trifft auf HESR stochastische Kühlung in COSY

Jülich, September 2018. Der Hochenergiespeicherring HESR ist ein zentraler Speicherring für Experimente mit Antiprotonen und schweren Ionen an FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI. Das FZJ wurde von FAIR mit Planung und Bau des HESR beauftragt (ohne Gebäude). Das IKP-4 koordiniert die vielfältigen Aufgaben, trägt die Verantwortung und übernimmt den größten Teil der Arbeiten. Größter Unterstützer im FZJ ist das Zentralinstitut ZEA-1, das das komplette Arbeitspaket Vakuum verantwortet.

Eine der wichtigsten Baugruppen im HESR ist die sogenannte stochastische Kühlung, die nicht nur eine Verbesserung der Strahlqualität für Experimente bewirkt, sondern auch die Akkumulation von Antiprotonen im HESR erst ermöglicht. Bei der stochastischen Kühlung handelt es sich um (breitbandige Mikrowellen-)Regelkreise (2 – 4 GHz), die die Abweichungen der Teilchen von der Soll-Bahn messen und über sehr rauscharme Verstärker, Filter und Stellglieder sowie Hochleistungsverstärker gegenkoppelnd dem Strahl wieder zuführen. Unter dem Strich wird dadurch der Strahldurchmesser überall im Beschleuniger kleiner.

Pickup-Tank der stochastischen Kühlung im HESRVakuumbehälter mit Mikrowellenschaltkreisen als Antenne für die Signale der vorbeifliegenden Teilchen. Oben am Tank sind die Kryopumpen angebracht, die die Antennen auf 20 K abkühlen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Antennen für die stochastische Kühlung im HESR mit Combiner-BoardsDie Antennen bestehen aus den ringförmigen Strukturen. Die Signale werden noch im Vakuum auf den Combinerboards zusammengefasst, damit die Zahl der Vakuumdurchführungen klein gehalten werden kann.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Zentrale Elemente sind dabei neben den Hochleistungsverstärkern die Strahlaufnehmer- bzw. Ablenkerstrukturen. Speziell für den HESR wurden am IKP-4 komplett neue Strukturen entwickelt und in enger Zusammenarbeit mit ZEA-1 gebaut. Nach Fertigstellung der ersten beiden Kühltanks (ein Pickup zur Signalaufnahme und ein Kicker zur Strahlkorrektur) wurden diese in COSY eingebaut und erste Kühlversuche gestartet. Die Nagelprobe ist das Zusammenspiel mit dem Target der Experimentatoren.

PANDA (Proton ANtiproton Detector Array) ist das zentrale Experiment im HESR. Die PANDA Kollaboration mit mehr als 500 Wissenschaftlern aus 20 Ländern will grundlegende physikalische Forschung zu verschiedenen Themen rund um die schwachen und starken Kräfte, exotischen Aggregatzustände und die Struktur von Hadronen betreiben. Das Forschungszentrum Jülich ist mit IKP-1 maßgeblich daran beteiligt. Um alle notwendigen Informationen aus den Antiproton-Proton-Kollisionen zu sammeln, wird ein vielseitiger Detektor gebaut, der in der Lage ist, präzise Spurrekonstruktion, Energie- und Impulsmessungen und eine sehr effiziente Identifi­zierung von geladenen Teilchen zu ermöglichen. Eines der hierfür benötigten Targets wird von einer Gruppe Wis­senschaftler der Universität Münster gebaut. Das Münsteraner Cluster-Target wurde im Sommer-Shutdown in COSY eingebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Bei den folgenden Tests mit der stochastischen Kühlung wurde erstmals zeit­gleich die horizontale und vertikale Kühlung zur Reduzierung der Strahlgröße als auch die longitudinale Kühlung zur Angleichung der unterschiedlichen Teilchengeschwindigkeiten im Strahl benutzt. Energieverluste und Aufstreuung im Clustertarget konnten sehr erfolgreich kompensiert werden. In der Abbildung sind der Strahlstrom (=Intensität) sowie die horizontale bzw. vertikale Größe des Strahls - einmal ohne Kühlung und einmal mit Kühlung - wiedergegeben. Die Zykluslänge betrug dabei etwa 5 Minuten. Systematische Messungen zum Vergleich zwischen realem Kühlprozess und der simulierten Kühlung werden folgen.

Strahlintensität mit und ohne stochastische Kühlung vom Typ HESRStrahlintensität und Strahlgröße mit und ohne stochastische Kühlung im Experimentzyklus bei eingeschaltetem Target. Für die obere Spur gilt die Achse am rechten Bildrand, für die unteren Spuren gilt die Achse am linken Bildrand. Ohne Kühlung wird der umlaufende Teilchenstrahl aufgeweitet und seine Intensität nimmt ab, weil Teilchen durch Stöße mit der Vakuumkammerwand verloren gehen. Mit Kühlung ist die Intensität für den Nutzer höher, und der Strahlfleck wird überall im Beschleuniger kleiner.
Copyright: Rolf Stassen

Ansprechpartner:

Dr. Rolf Stassen, Institut für Kernphysikalische Großgeräte (IKP-4)

Tel. +49 2461 612352

E-Mail: r.stassen@fz-juelich.de


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