Forschung

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Beschleunigeranlagen für intensive Ionenstrahlen

Die existierenden GSI Beschleunigeranlagen sowie die geplanten Anlagen im Rahmen des FAIR Projekts stehen im Fokus der Aktivitäten des Fachgebietes. Weiterhin gibt es enge Zusammenarbeiten mit der europäischen Großforschungseinrichtung CERN und mit den Brookhaven National Laboratory (USA).

Entwicklung und Überprüfung von Computermodellen für Ionenstrahlen

Die Mitglieder des Abteilung des Fachgebietes liefern durch die Entwicklung und Auswertung von Computermodellen wesentliche Beiträge zur Kontrolle und Messung von intensiven Ionenstrahlen in den GSI und FAIR Anlagen. Da die Modelle immer nur einen Teilbereich der kollektiven Wechselwirkung abbilden können, ist die Überprüfung der Modelle durch gezielte Experimente entscheidend. Diese Messungen werden hauptsächlich an den Anlagen der GSI sowie des CERN durchgeführt.

Kollektive Effekte in Ionenstrahlen

Wichtige Leistungsparameter moderner Beschleunigeranlagen sind vor allem die Intensität und die Qualität des beschleunigten Ionenstrahls. Diese werden hauptsächlich durch kollektive Effekte beschränkt, welche durch die elektromagnetische Wechselwirkung der Strahlionen untereinander (Raumladung), mit der Beschleunigerumgebung (Impedanzen) sowie mit Sekundärelektronen (Elektronenwolken) hervorgerufen werden.

  • Electron density in the cross-section of the simulated buildup in saturation right before a bunch passing with (top) and without (bottom) magnetic dipole field (O. Haas).
  • Filamentation of a beam injected into a circular machine with an error in position with respect to the design orbit (I. Karpov).
  • Distribution of longitudinal momentum deviation over time for laser cooling process of Li-like Sn-ions (L.Eidam).
  • Electron cloud pinch in the field of an offcentered bunch (F. Petrov).

Strahlkoppelimpedanzen

Animation of the dipolar electric field at constant frequency f=100MHz in a cross-section of a SIS100 kicker magnet (U. Niedermayer)
Animation of the dipolar electric field at constant frequency f=100MHz in a cross-section of a SIS100 kicker magnet (U. Niedermayer)

Die Resistive-Wand-Impedanz ist die hauptsächliche Ursache für Instabilitäten in Synchrotrons und Speicherringen. Der Realteil der dipolaren transversalen Koppelimpedanz kann transversale Strahlinstabilitäten antreiben. Für SIS18 sowie im geplanten SIS100 ist der resistiver Anteil der transversalen Koppelimpedanz durch das Strahlrohr bei niedrigen Frequenzen dominiert. Um Wirbelstromeffekte während der Magnetrampe zu verkleinern, wird das SIS100 Strahlrohr sehr dünn sein. Aufgrund von mechanischen und vakuumtechnischen Gründen wird das SIS100 Strahlrohr mit Stabilisierungsstreben und Kühlungsröhrchen gebaut. Für solche komplizierten Strukturen kann die Koppelimpedanz nicht mehr analytisch bestimmt sondern muss mit numerischen 3D elektromagnetischen Frequenzbereichssimulationen berechnet werden. Zur Berechnung der Koppelimpedanz von Beschleunigerelementen kann z.B die Software CST Particle Studio verwendet werden. Am Fachgebiet werden jedoch auch eigene Tools zur Berechnung von Strahlkoppelimpedanzen im Frequenzbereich entwickelt. Einige dieser Tools stellen wir gerne zur Verfügung, sprechen Sie uns dazu persönlich an!

Laserbeschleunigung von Ionenstrahlen

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Modellierung von Experimenten mit Hochleistungslasern zur Ionenbeschleunigung. Hier trifft ein Laser auf eine dünne Folie, die sofort ionisiert wird. Die Elektronen verlassen das Material wesentlich schneller als die viel schwereren Ionen, dadurch wird ein starkes Raumladungsfeld erzeugt. Eine dünne Verunreinigungsschicht auf der Folie, die unter anderem aus Protonen besteht, wird in diesem Raumladungsfeld beschleunigt. Die Beschleunigung findet auf einem μm-Bereich hinter dem Target statt. Das injizieren dieses Strahls in eine gewöhnliche periodische Fokusierungsstruktur (m-Bereich) ist ein Multi-Skalenproblem, welches nur mit verschiedenen, getrennten Codes in unabhängigen Raum- und Zeitskalen simuliert werden kann. Am Fachgebiet wird dazu u.a. das Simulationswerkzeug VSim der Firma Tech-X eingesetzt.

  • The longitudinal (left) and transversal (right) electric field in a 2D TNSA simulation with a thick layer (Z. Lecz).
  • Comparison of longitudinal electron cloud wakefields obtained from 2D ES (openECLOUD) and 3D EM (VSim) simulations (F. Petrov).
  • Simulation der Radiation Pressure Acceleration (RPA) von Kohlenstoffionen.

Laserbeschleunigung von Elektronen in dielektrischen Strukturen

Dielektrische Struktur zur nicht-resonanten Beschleunigung von Elektronen mit einem Laser, der hier als ebene Welle angenommen wird. (U. Niedermayer)
Dielektrische Struktur zur nicht-resonanten Beschleunigung von Elektronen mit einem Laser, der hier als ebene Welle angenommen wird. (U. Niedermayer)

Seit Oktober 2015 beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe auch mit miniaturisierten Laserbeschleunigern für Elektronen, sogenannten DLAs (engl. Dielectric Laser Accelerators). Diese Strukturen funktionieren ähnlich wie konventionelle Wideroe-Linearbeschleuniger nur dass die Frequenz von einigen hundert Megahertz auf einige hundert Terahertz (sichtbarer bzw. infrarot-Spektralbereich) skaliert wird. Daraus ergibt sich eine entsprechenden Strukturverkleinerung in den Mikrometerbereich (siehe Bild). Mit Hilfe der Gitterzähne in der Struktur werden die elektrischen (Nah-) Felder so geformt, dass ein Teilchen welches zum richtigen Zeitpunkt ankommt, eine starke Beschleunigung am Zahn erfährt. Im Zahnzwischenraum wird das Teilchen nur sehr leicht abgebremst was einer Driftröhre entspricht. Insgesamt erhält man also eine Netto-Beschleunigung. Eine sehr anschauliche Beschreibung ist in diesem Youtube video zu finden.

Der Vorteil von DLAs besteht darin, dass mit modernen Lasersystemen, die bereits komerziell verfügbar sind, Feldstärken von >1GV/m erzeugt werden können. Weiterhin können Dielekrika auch deutlich höheren Feldstärken widerstehen (breakdown-limit) als Metalle. Moderne Mikrofabrikationstechnik, die aus der Halbleitertechnik bekannt ist, erlaubt es, Beschleunigerstrukturen auf einem Chip herzustellen.

Diese Entwicklung führte 2013 zur Messung von Rekordgradienten von ~300MV/m am SLAC für relativistische Elektronen. Ebenfalls wurden Rekordgradienten für die Beschleunigung nicht-relativistischer Elektronen an der FAU Erlangen sowie an der Stanford Universität erzielt.

Um ein praktisch verwendbares Beschleunigersystem zu entwickeln sind jedoch noch einige Hürden zu überwinden, welche besonders durch die Elektronenstrahlparameter definiert werden. Wegen der Tatsache, dass nur die Nahfelder zur Beschleunigung beitragen, muss die Apertur sehr kein (~1µm) gewählt werden. Weiterhin ist auch die zeitliche Länge der beschleunigenden Flanke nur ca 1fs, d.h. für einen effektiven Beschleunigungsvorgang muss der Strahl auf dieser Zeitskala gebuncht werden. Unsere Forschungen konzentrieren sich nun darauf, die wegen dieser Limitationen noch sehr niedrigen Strahlintensitäten in DLA Experimenten zu erhöhen.

Seit Oktober 2015 ist unsere Arbeitsgruppe Teil einer internationalen Kollaboration, die von der Gordon and Betty Moore Foundation gefördert wird (siehe Presseerklärung) und zum Ziel hat, einen Beschleuniger auf Chip- bzw. Tisch-Größe zu realisieren. Zum Start des neuen Projekts „Accelerator on a Chip“ (kurz ACHIP) wurde auch ein Artikel für die Homepage des Fachbereichs ETIT verfasst. Die Webseite der ACHIP Kollaboration findet man hier.

Dielektrische Gitterstruktur zum Fokussieren bzw. Transportieren eines Elektronenstrahls. Oben: Teilchen-Tracking, Mitte: Elektrisches Laserfeld in Strahlrichtung. (U. Niedermayer)
Dielektrische Gitterstruktur zum Fokussieren bzw. Transportieren eines Elektronenstrahls. Oben: Teilchen-Tracking, Mitte: Elektrisches Laserfeld in Strahlrichtung. (U. Niedermayer)

Die Aufgabe unserer Arbeitsgruppe in der Kollaboration ist sowohl die Feldsimulation wie auch die Simulation der Teilchendynamik in dielektrischen Beschleunigerstrukturen. Dies beinhaltet sowohl reine Tracking-Simulationen zur Bestimmung der nutzbaren Apertur, wie auch selbstkonsistente „particle in cell“ (PIC) Simulationen zur Quantifizierung von Intensitätseffekten. Weiterhin geht es auch um die Entwicklung lasergetriebener Fokusierstrukturen, die für den Transport nichtrelativistischer Elektronenstrahlen entscheidend sind (siehe Bild).