Projekte SIS100 Sondereinbauten
SIS100 Kryokollimatoren
Im künftigen Ringbeschleuniger SIS100 wird es 60 Umladungskollimatoren in den kryogenen Bereichen geben, sogenannte Kryokollimatoren. Das Lattice des SIS100, also die ionenoptische Anordnung der Magnete wurde derart optimiert, dass eine stark lokalisierte Verlustverteilung für den Umladungskanal U28+→ U29+ entsteht. Diese Verluste konzentrieren sich auf die Bereiche zwischen den supraleitenden Quadrupolen. Dort werden die Kryokollimatoren installiert, welche die umgeladenen Ionen kontrolliert, mit speziellen, niedrig desorbierenden Oberflächen auffangen. Auf diese Weise werden dynamische Vakuum Effekte unterdrückt und ein stabiler Strahlbetrieb bei hohen Schwerionenintensität ist möglich.
Es wurde ein Prototyp gebaut und dessen Eigenschaften experimentell untersucht. Aus den gewonnenen Ergebnissen wurde ein Seriendesign entwickelt und zunächst ein First-of-Series (FoS) Gerät hergestellt. Dieser wurde ebenfalls verschiedenen Tests unterzogen, welche zu weiteren Optimierungen für die Serienproduktion führten. Jede Kammer wurde im Herstellerwerk und bei GSI diversen Tests unterzogen. Ende 2020 wurde die Serienproduktion abgeschlossen und die Kryokollimatoren sind bereit für die Integration in das SIS100 Quadrupolmodul.
Halo-Kollimatoren
Die Halo-Kollimatoren dienen dem Maschinenschutz. Ihre Aufgabe ist es, gezielt Strahlteilchen abzufangen, bevor diese an sensiblen Apertur-begrenzenden Einbauten verloren gehen. Das sind typischerweise elektrostatische Septa mit ihren Drähten. Als Strahl-Halo bezeichnet man Teilchen, die mit großen Amplituden um den Ideal-Orbit schwingen. Ein Strahl-Halo entsteht bspw. durch Resonanzen, wenn Teilchen wiederholt und mit gleichem Winkel, den gleichen Magnetfeldfehler durchlaufen. Auf diese Weise verstärkt sich die Amplitude der Teilchen, bis sie nicht mehr von der Akzeptanz des Beschleunigers aufgenommen werden können und an der Apertur verloren gehen.
Im SIS100 wird es drei verschiedene Systeme zur Halo-Kollimation geben:
- Protonen-Halokollimatoren dienen zum Entfernen des Strahl-Halos im Betrieb mit Protonen und leichten bzw. voll gestrippten Ionen
- Die Ionen-Halokollimatoren kommen im Betrieb mit teilgeladenen Ionen zum Einsatz und entfernen den Strahl-Halo
- Unvermeidbare systemische Verluste während der langsamen Extraktion werden durch das dritte Kollimator-System aufgefangen
Alle Kollimatoren und Folien werden derart konstruiert, dass es möglich ist, die elektrische Ladung welche durch auftreffende Strahlteilchen deponiert wird, zu messen.
Protonen-Halokollimation
Das System zur Protonen-Halokollimation ist ein sogenanntes zweistufiges Kollimations-System. In der ersten Stufe durchlaufen die Halo-Teilchen eine Folie, welche nah am Strahlrand positioniert wird. Die Folgen sind Energieverlust und Streuung der Teilchen. Im weiteren Strahl-Verlauf entfernen sich diese Teilchen vom Kern-Strahl und können durch Absorberblöcke, der zweiten Stufe, abgefangen werden. Würde man nur die Absorberblöcke an den Strahl heranfahren, so würden die Halo-Teilchen diese nur knapp erreichen können und größtenteils wieder heraus gestreut werden. Dann gingen sie an sensiblen Apertur-begrenzenden Einbauten verloren, obwohl sie ohne den Absorberblock möglicherweise verlustfrei beschleunigt würden. Die Streuung in der ersten Stufe sorgt also dafür, dass die zu entfernenden Halo-Teilchen die Absorberblöcke mit ausreichend Abstand zur Außenoberfläche treffen, damit sie in den folgenden Streuprozessen bis zum Stillstand nicht den Absorberblock verlassen.
Die Protonen-Kollimation erreicht für Protonen in Zusammenarbeit mit den Kryokollimatoren eine Kollimationseffizienz > 90 % für ausgewählte Arbeitspunkte. Sie kann nicht nur für Protonen, sondern auch für leichte, voll-gestrippte Ionen (Strahlteilchen ohne Elektronen) verwendet werden. Bei schweren, voll-gestrippten Ionen sinkt die Kollimationseffizienz, prinzipiell kann das System aber auch für solche Ionen verwendet werden.
Ionen-Halokollimation
Das System zur Ionen-Halokollimation nutzt den Sachverhalt, dass teilgeladene Strahlionen noch Elektronen tragen, welche beim Durchgang durch eine Folie am Strahlrand teilweise entfernt werden können. Diese gestrippten Ionen werden vom umlaufenden Strahl beim Durchgang durch Magnete getrennt und können durch Kollimatorblöcke aufgehalten werden. Wie auch bei der Protonen-Halokollimation brauchen diese Blöcke nicht nah am Strahlrand zu stehen.
Kollimatorsystem zur Kontrolle von systematischen Extraktionsverlusten
Bei Strahlbetrieb mit langsamer Extraktion kommt es zu unvermeidbaren systematischen Verlusten. Strahlteilchen, welche mit Drähten des elektrostatischen Extraktionsseptums wechselwirken, können ihren Ladungszustand ändern und gestreut werden. Sie gehen dabei im weiteren Verlauf verloren. Um den Druckanstieg durch unkontrollierte Verluste gering zu halten und unnötige Aktivierung von Beschleunigerkomponenten zu vermeiden, gibt es auf der Extraktionsgeraden ein System aus drei Kollimator-Pärchen um diese Verluste kontrolliert aufzufangen.
Die Schwierigkeit bei der Auslegung besteht darin, die von den Ionen deponierte Energie abzuführen. Je nach Betriebsart und Kollimator wird mit Verlustleistungen bis 370 W gerechnet.
Interner Beam Dump
Der Interne Beam Dump oder Emergency Beam Dump dient dazu, im Fehlerfall den Strahl schnell zu vernichten. Er befindet sich unter dem dritten Extraktionsseptum. Der Strahl kann hier vernichtet werden, indem der Extraktionskicker den Strahl nicht nach oben zum Extrahieren kickt, sondern nach unten in den Beam Dump.
Der Dump besteht aus Graphit- und Wolfram-Blöcken. Die Herausforderung besteht darin, dass der Dump mit allen Strahlen, die im SIS100 beschleunigt werden können, funktionieren muss.