FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe)

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.

Elektronendichte im Querschnitt der simulierten Anhäufung in der Sättigung unmittelbar vor einem Durchgang mit (oben) und ohne (unten) magnetisches Dipolfeld
Bild: I. Karpov
Filamentierung eines in eine kreisförmige Maschine eingebrachten Strahls mit einem Positionsfehler in Bezug auf die Konstruktionsbahn
Verteilung der longitudinalen Impulsabweichung über die Zeit für den Laserkühlprozess von Li-like Sn-Ionen

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.

Elektronenwolken-Pinch im Feld eines dezentralen Bunches
Animation des dipolaren elektrischen Feldes bei konstanter Frequenz f=100MHz in einem Querschnitt eines SIS100-Kickermagneten

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!