Bozyk, Lars (2012)
Entwicklung und Test eines Kryokollimator-Prototypen zur Kontrolle des dynamischen Vakuums im SIS100.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen des FAIR-Projektes (Facility for Antiproton and Ion Research) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung sollen im supraleitenden Synchrotron SIS100 hochintensive Schwerionenstrahlen erzeugt werden. Dazu werden mittlere, anstelle von hohen Ladungszuständen verwendet, was die Raumladungsgrenze zu höheren Teilchenzahlen verschiebt und gleichzeitig Strahlverluste durch Ionisation in Folien oder Gasstrahlen zur Erhöhung des Ladungszustandes vermeidet. Die größte Herausforderung beim Betrieb mit teilgeladenen Schwerionen ist die Minimierung von Strahlverlusten durch Umladung, welche in Kollision zwischen Strahlionen und Restgasteilchen stattfindet. Solche umgeladenen Strahlionen werden vom umlaufenden Strahl getrennt und gehen auf der Vakuumkammerwand verloren. Bei Auftreffen auf die Kammerwand werden durch ionenstimulierte Desorption große Mengen Gas losgelöst und ein lokaler Druckanstieg hervorgerufen. Dieser erhöht wiederum die Wahrscheinlichkeit für weitere Umladung des Strahls, was eine Selbstverstärkung bis zum völligen Strahlverlust auslöst. Eine der Maßnahmen zur Dämpfung dieses Effektes ist der Einsatz von Umladungskollimatoren. Diese garantieren an den Orten der Strahlverluste senkrechten Einfall auf spezielle, niedrig desorbierende Oberflächen. Die Ionenoptik des SIS100 wurde für den Einsatz von Kollimatoren optimiert. Dadurch können nahezu 100% der Umladungsverluste kontrolliert eingefangen werden. In den Bögen des Synchrotrons befinden sich 60 dieser Kollimatoren zwischen den supraleitenden Quadrupolen in einer kryogenen Umgebung. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, die Konstruktion und der Test eines kryogenen Kollimator-Prototypen. Das im existierenden Schwerionensynchrotron SIS18 erfolgreich installierte, warme Kollimatorsystem wird in dieser Arbeit mit dem des kryogenen SIS100 verglichen. Es werden verschiedene Messungen mit dem Kollimatorsystem vorgestellt. Ausgehend von den Anforderungen an das neue Kollimatorsystem wird die Auslegung des Kollimatorblocks mit Aufhängung und umgebender kryogener, kupferbeschichteten Vakuumkammer beschrieben. Die kalten Oberflächen der Vakuumkammer dienen als Kryopumpe, welche die desorbierten Gase schnell wieder adsorbiert. Dadurch werden die Verluste durch Umladung so gering wie möglich gehalten. Bei der Planung des Kryokollimators stand eine Minimierung des Druckes auf Strahlachse im Vordergrund. Um den Kryokollimator-Prototypen unter realen Bedingungen zu testen, wurde ein eigener Teststand mit Kryostat entworfen, konstruiert und gebaut. Der Teststand wurde an einem existierenden Strahlzweig der GSI-Beschleunigeranlage installiert. Dort wurde der Kryokollimator-Prototyp mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium gekühlt und mit Schwerionenstrahlen vom SIS18 getestet. Beim Vermessen des durch Strahleinschlag induzierten Druckanstieges in der kalten Kammer wurde erstmalig ein Anstieg der Desorptionsausbeute mit steigender Strahlenergie beobachtet. Von Raumtemperaturmessungen ist ein Abfallen bekannt. Die Übergangstemperatur von 18 K, unterhalb welcher Wasserstoff adsorbiert wird, konnte während der Messungen mehrfach bestätigt werden. Dies ist für den zuverlässigen Betrieb des SIS100 von entscheidender Bedeutung. Der Kryokollimator-Prototyp erfüllte alle Erwartungen und die Tests liefen sehr zufriedenstellend ab. Eine Serienfertigung für das SIS100 kann beauftragt werden.

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