HESR für Einsteiger

Für Investitionskosten von weniger als 65 M€ wird in Verantwortung des Instituts für Kernphysik 4 (IKP-4) des Forschungszentrums Jülich (FZJ) derzeit der Hochenergiespeicherring HESR als deutscher Beitrag zur internationalen Anlage FAIR in Darmstadt beschafft. Der Einbau und Inbetriebnahme in Darmstadt werden nach Fertigstellung der Gebäude durch die FAIR GmbH erfolgen. Die Dipol- und Quadrupolmagnete wurden im IKP-4 zusammen mit Experten aus ZEA-1 entworfen und auf dieser Grundlage von der FAIR GmbH beauftragt. Alle anderen Aufträge wurden und werden noch durch die Jülicher Einkaufsabteilung bearbeitet. Bei IKP-4 liegt die Federführung des Konsortiums bestehend aus FZJ, GSI, und Partners aus Rumänien und Slowenien.

Aufgaben des HESR

Der HESR ist ein Synchrotron, in das elektrisch geladene Teilchen mit einer magnetischen Steifigkeit von 12,76 Tm eingeschossen werden. Diese Teilchen werden anschließend auf die Energie beschleunigt oder abgebremst, bei der das Experiment durchgeführt werden soll. Auch können der Strahldurchmesser am Ort der Detektoren sowie die Strahlqualität in gewissen Grenzen kontrolliert werden. Jeder weiß, dass bei langsamen Kurvenfahrten weniger Kraft notwendig ist als bei schnellen Kurvenfahrten. Genauso ist es bei geladenen Teilchen: Die Biegekraft in den Magneten, die die Teilchen auf ihrer Flugbahn hält, muss ihrer Geschwindigkeit angepasst sein. Daher steigt bei der Beschleunigung der Strahlteilchen auch synchron der Strom durch die Magnete, damit die Flugbahn der Teilchen immer innerhalb des Strahlrohres bleibt.

Die Experimente am HESR fallen in den Bereich der Grundlagenforschung. Mit ihnen werden die Eigenschaften der starken Wechselwirkung (das ist die Kraft, die die Kernbausteine gegen ihre elektrostatische Abstoßung zusammenhält) studiert werden. Viele Details sind immer noch unverstanden. Man braucht allerdings einen langen Atem. Wie uns die Geschichte der Kernphysik lehrt, kann es schon mal 50 Jahre dauern, bis eine Entdeckung praktische Konsequenzen hat: In den 1930er Jahren wurde entdeckt, dass das Proton eine besondere Eigenschaft trägt, die man Spin nennt. Die systematische Untersuchung des Protonenspins hat dazu geführt, dass bis heute (in ersten Versionen ab ca. 1980) zum Beispiel ein bildgebendes Verfahren für die Medizin entwickelt worden ist (magnetische Resonanztomografie), es konnten Festplatten sehr hoher Schreibdichte entwickelt werden (Riesenmagnetowiderstand) u.v.m.

Teilcheneigenschaften im HESR

*) Die Einschussenergie ist so gewählt, dass sie der Energie entspricht, mit der man Antiprotonen erzeugen kann. Damit ist der HESR auch zur Beschleunigung von Antiprotonen geeignet.

Der HESR besteht aus 2 geraden Strecken, die jeweils 132 m lang sind. Sie werden durch 2 Bogensektionen verbunden, die jeweils eine Länge von ca. 155 m haben. Der Strahlrohrdurchmesser (lichte Weite) beträgt immer 89 mm, wenn man von den Bereichen der Experimente absieht. Der mittlere Bogenradius beträgt etwa 50 m. Eine der Geraden ist für eine Spektrometerinstallation vorgesehen, die andere kann später einen Elektronenkühler zur Verbesserung der Strahlqualität aufnehmen. Anfang und Ende der Bögen eignen sich ebenfalls zur Aufnahme von Experimenten.

Hauptkomponenten des HESR

Magnete

Die Dipolmagnete (Nordpol und Südpol des Magneten sitzen oberhalb und unterhalb des Strahlrohres) erzeugen ein homogenes Magnetfeld. In ihnen wird der Teilchenstrahl auf eine Kreisbahn abgelenkt. Im HESR werden 44 dieser Magnete benötigt. Jeder ist ca. 4,2 m lang. Einschließlich Unterbau bringt er ca. 35 t auf die Waage. Sein Magnetfeld kann zwischen 0,17 T und 1,7 T variiert werden. In den felderzeugenden Spulen müssen Ströme von bis zu 3000 A fließen, um das Magnetfeld für die Teilchenablenkung erzeugen zu können. Weil sich im Laufe der Beschleunigung das Magnetfeld zeitlich ändert, entstehen im Magneteisen Wirbelströme, die das Magnetfeld, was benötigt wird, schwächen (Induktion, Lenzsche Regel). Um das schwächende Feld möglichst klein zu halten, wird das Magneteisen aus vielen Lamellen, die gegeneinander isoliert sind, zusammengefügt. Ein Druck von 6,5 bar reicht aus, um 62 l Kühlwasser pro Minute durch die Spulen fließen zu lassen. Bei diesem Durchfluss erhöht sich die Kühlwassertemperatur um höchstens 30°, wenn der Magnet bei Volllast betrieben wird (100 kW).

Quadrupolmagnete (rund um das Strahlrohr sind – in dieser Reihenfolge – Nordpol, Südpol, Nordpol und Südpol angeordnet) werden zur Fokussierung der Teilchenstrahlen benutzt. Im HESR werden ca. 10⁸ Teilchen umlaufen. Die wenigsten werden auf der Sollbahn umlaufen. Die meisten werden in kleinem Abstand von der Sollbahn fliegen, und auch ihre Richtung wird nicht immer der Sollrichtung entsprechen. Quadrupolmagnete haben in der Mitte kein Magnetfeld und zum Rand hin steigt das Magnetfeld linear mit dem Abstand von der Mitte an. Dadurch sehen Teilchen neben der Sollbahn Kräfte, die sie zur Sollbahn zurücklenken. Dieser Magnet wirkt also wie eine Linse in der Optik. Jeder Quadrupolmagnet wirkt in einer Ebene fokussierend (z.B. in der Horizontalen) und in der anderen Ebene dann defokussierend (in diesem Beispiel in der Vertikalen). Wird die Polarität des Stromflusses gewechselt, vertauschen sich fokussierende und defokussierende Wirkung. Insgesamt sind im HESR 84 Quadrupolmagnete zur Strahlfokussierung eingesetzt. Jeder dieser Magnete ist 60 cm lang und 5,2 t schwer. Er nimmt eine Leistung von 12 kW auf bei einem Maximalstrom von 426 A.

Zur Feinkorrektur weiterer Strahleigenschaften werden noch 66 Sextupolmagnete und 53 Steerermagnete benötigt. Steerermagnete sind kleine Dipolmagnete. Beide Magnettypen werden mit 30 cm Länge gebaut und sind ca. 300 kg schwer. In den Bögen werden sie je nach Bedarf vor und hinter den Quadrupolmagneten eingesetzt. Alle Sextupolmagnete, Steerermagnete und ihre Netzgeräte werden vom rumänischen Kooperationspartner hergestellt.

Netzgeräte

Alle Magnete werden in Funktionsgruppen („Familien“) zusammengefasst, die an möglichst wenige Netzgeräte anzuschließen sind. Dabei wird die Anzahl unterschiedlicher Netzgeräte minimiert. Außerdem soll vermieden werden, dass entlang der 132 m langen Geraden zu viele Kabel verlegt werden müssen. Daher werden alle Magnete der Nordhälfte des HESR aus dem nördlichen Versorgungsraum betrieben, alle anderen aus dem südlichen Versorgungsraum. Insgesamt müssen dort 125 Netzgeräte mit Leistungsklassen zwischen 9 und 3500 kW untergebracht werden.

Hochfrequenzsystem

Die Strahlteilchen im HESR werden an genau einer Stelle beschleunigt: am Beschleunigungsspalt. Dort wird die elektrische Komponente einer hochfrequenten Wechselspannung dazu ausgenutzt, immer dann eine Spannung von maximal 2500 V auf die Strahlteilchen wirken zu lassen, wenn sie den Spalt passieren. Dadurch erhöht sich jedes Mal deren Geschwindigkeit und der Magnetstrom kann zusammen mit der Frequenz der hochfrequenten Welle erhöht werden. Die Teilchen benötigen für einen Umlauf knapp 2 µs. Die Hochfrequenzstation arbeitet zwischen 440 und 520 kHz. Im Falle einer Radiostation würde das dem Mittelwellenbereich entsprechen. Das Gewerk Hochfrequenz kümmert sich auch noch um eine Besonderheit: Der HESR muss erst die notwendige Zahl der Strahlteilchen sammeln. Im Falle von Antiprotonen erwarten wir alle 10 Sekunden den Einschuss von 10⁸ Teilchen. Sinnvoll experimentieren kann man aber erst ab einer Teilchenzahl von 10¹⁰. Um diese Teilchenzahl zu erreichen, werden auf folgenden Weise die Teilchen im HESR gesammelt: Durch eine besondere Wellenform (Barrier Bucket) können die im Ring befindlichen Teilchen in einer Ringhälfte konzentriert werden. Die andere Hälfte ist dann leer. In die leere Hälfte können dann neue Teilchen eingeschossen werden, das dauert nur 1 µs (s. u. Injektion). Anschließend wird die Barriere zwischen den Bereichen wieder gesenkt, die Teilchen durchmischen sich und werden durch ein Kühlverfahren (s.u.) während der nächsten 10 Sekunden wieder zu einem einzigen Teilchenstrahl. Danach beginnt der Prozess von vorne, bis 100 Einschüsse stattgefunden haben. Dann hat die Teilchenzahl ihren Endwert erreicht und der Strahl kann für die Experimente vorbereitet werden.

Injektion

Beim Einschuss (Injektion) in den HESR gelten strenge Regeln: Alle notwendigen Schritte müssen innerhalb von 1 µs (= 1000 ns) abgeschlossen sein. Schritt 1: Der Injektionskickermagnet muss innerhalb von 250 ns auf sein Sollfeld gebracht werden. Schritt 2: Während 500 ns strömen die neuen Teilchen in den HESR. Schritt 3: Innerhalb der restlichen 250 ns muss das Magnetfeld soweit wieder abgeklungen sein, dass der umlaufende Strahl davon nicht gestört wird. Ein paar Kenndaten: Der Ablenkwinkel für den Injektionskicker beträgt 6,4 mrad (1,152°). Für das benötigte Feld ist ein Magnetstrom von knapp 5000 A erforderlich. Auch wenn man diesen Magneten mit möglichst geringer Induktivität aufbaut, kann man nicht vermeiden, dass der Strom zunächst über seinen Zielwert hinausschießt und sich erst mit Verzögerung auf seinen Sollwert einschwingt. Die gleiche Schwierigkeit hat man beim Abbau des Magnetfeldes. Die bereits im HESR gespeicherten Teilchen würden durch ein noch vorhandenes Magnetfeld des Injektionskickers auf die Wand des Strahlrohres abgelenkt und würden verloren gehen. Weil das Einschwingverhalten des Injektionskickers empfindlich von der Umgebung der stromführenden Teile abhängt, wird das Konzept erst an einem Prototypen geprüft. Die Entwicklung aller stromführenden Teile liegt in einer Hand. Die Vakuumkammer wird vom FZJ entwickelt und gebaut. Erste Testmessungen sind für 2015 geplant.

Strahldiagnose

Für den Betrieb eines Beschleunigers, auch für den HESR, ist es notwendig, an vielen Orten die Position des Teilchenstrahles messen zu können, ohne ihn nennenswert zu beeinflussen. Außerdem möchte man natürlich die Intensität und vielleicht auch seine zeitliche Struktur kennen. Entwicklung und Betrieb solchen Geräte fallen in den Aufgabenbereich des Gewerkes Strahldiagnose. Die Strahlpositionsmonitore wurden aus Platzgründen in die Sextupolmagnete integriert. Da im Bereich dieser Positionsmonitore der Platz für den Teilchenstrahl nicht eingeschränkt werden darf, hat das Strahlrohr im Bereich dieser Monitore einen größeren Durchmesser. Folglich ist die Öffnung in den Sextupolmagneten entsprechend größer (140 mm) als in den anderen Magneten (100 mm). Der erste Strahlpositionsmonitor soll in 2015 vermessen werden. Die meisten anderen Diagnosekomponenten können zugekauft werden. Die Auswerteelektronik für die Komponenten der Strahldiagnose wird von Slowenien beigesteuert.

Vakuum

Da im Beschleuniger die umlaufenden Teilchen geladen sind, muss vermieden werden, dass die Teilchen während der Umläufe durch Stoß mit Restgasteilchen ihre Ladung ändern und dadurch dem Strahl verloren gehen. Folglich ist die Herstellung einer geeigneten Strahlumgebung von größter Wichtigkeit. Dafür laufen im Gewerk Vakuum viele Aufgaben zusammen: Alle Körper, die evakuiert werden müssen, werden hier entworfen, konstruiert und deren Fertigung kontrolliert. Die Zahl und die Art der einzusetzenden Pumpen werden festgelegt. Zusätzlich muss darauf geachtet werden, dass alle Komponenten auf Gestellen montiert werden können, die geeignet im Tunnel positioniert werden können. Jede Komponente muss sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig in jeder Richtung auf 0,1 mm genau positioniert werden. Daher sind an allen Bauteilen mindestens 3 Messmarken anzubringen. Um auf den Einsatz bei Drücken von weniger als 10^-9 mbar vorbereitet zu sein, werden die Strahlrohre, an die man später nur sehr schwer gelangen könnte, sicherheitshalber mit einer Schicht Gettermaterial (NEG) ausgerüstet, die wie eine Vakuumpumpe wirkt. Durch Heizen auf eine Temperatur von ca. 250° kann diese Pumpfähigkeit aktiviert werden. Die damit verbundenen Änderungen der Bauteillängen muss jetzt schon berücksichtigt werden, um Verformungen beim Aufheizen zu vermeiden. Auch der problemlose Transport der Komponenten für den Aufbau und für den Wartungsfall muss hier sichergestellt werden, was für den Fall der 4,2 m langen und 35 t schweren Dipolmagnete auch schon mal eine Herausforderung sein kann.

Kühlverfahren (stochastische Kühlung, Elektronenkühlung)

Jedes Kühlverfahren zielt darauf ab, die Unterschiede in den Teilcheneigenschaften wie Position, Flugrichtung oder Geschwindigkeit zu verringern. Wenn die Unterschiede groß sind, spricht man von einem heißen Strahl, sonst von einem kalten Strahl.

In der Grundversion des HESR ist nur die stochastische Kühlung vorgesehen. Bei der stochastischen Kühlung misst man mit hoher zeitlicher Auflösung an einem Messaufnehmer (Sensor, Pick-up) immer wieder die Position des Teilchenstrahles (im Bereich 2-4 GHz) und leitet daraus ein Korrektursignal ab, das exakt dann, wenn die gemessenen Teilchen am Stellglied (Aktor) vorbeikommen, auf den Strahl gegeben wird. Da aber die Teilchen im HESR mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegen und das elektrische Korrektursignal auch nicht schneller sein kann, aber rechtzeitig vorher bereitgestellt sein muss, kann dieses Prinzip nur funktionieren, wenn zwischen Sensor (Pick-up) und Aktor (Kicker) der Weg des Strahls länger als der Weg des Korrektursignals ist. Wenn diese Abkürzung groß genug ist, bleibt genug Zeit für die Vorbereitung des Aktors. Sowohl für den Pick-up als auch für den Kicker werden die gleichen Komponenten verwendet. Sie wurden hier in Jülich entwickelt und gebaut. Sie haben am Beschleuniger NICA in Russland ihre Feuertaufe bestanden und wurden dort bereits erfolgreich für die Strahlkühlung eingesetzt.

Ein möglicher Prototyp eines Elektronenkühlers bei Injektionsenergie des HESR wird zurzeit bei COSY für Protonen der der Energie 2.4 GeV erfolgreich betrieben. Bis jetzt ist das die höchste Protonenenergie, die mit Elektronen an COSY gekühlt werden konnte.

Integration der Experimente

Die Integration der Experimente ist eine weitere Aufgabe, die sorgfältig geplant sein muss. Auswirkungen der Targets (das sind die Objekte, auf die der Teilchenstrahl geschossen wird) auf den Beschleuniger müssen minimiert werden. Für die Detektoren muss ausreichend Platz vorgehalten werden. Wenn spezielle Magnete im Experiment zum Einsatz kommen, muss über die Kompensation der Wirkungen auf den Strahl entschieden werden. Meistens wünschen sich die Experimentatoren besonders kleine Strahlquerschnitte am Ort ihrer Targets, was auch schon bei der Planung berücksichtigt werden muss. Für aktuelle Experimente kann man immer weniger zwischen der Bereitstellung der Teilchenstrahlen durch die Beschleunigermannschaft und der Nutzung durch die Experimentatoren trennen, beide Bereiche wachsen tendenziell zusammen. Im Moment gibt es zwei Nutzer für den HESR: Der eine Nutzer ist die PANDA-Kollaboration, die sich auf die Physik mit Protonen und Antiprotonen im Bereich des Charm-Quarks spezialisiert hat. Der andere Nutzer ist die SPARC-Kollaboration, die Fragen im Zusammenhang mit schweren Ionen bearbeitet.