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Entwicklung und Test eines Kryokollimator-Prototypen zur Kontrolle des dynamischen Vakuums im SIS100

Bozyk, Lars :
Entwicklung und Test eines Kryokollimator-Prototypen zur Kontrolle des dynamischen Vakuums im SIS100.
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung und Test eines Kryokollimator-Prototypen zur Kontrolle des dynamischen Vakuums im SIS100
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the FAIR project (Facility for Antiproton and Ion Research) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research GmbH, high intensity heavy ion beams will be provided by the superconducting synchrotron SIS100. Medium charge state ions will be used instead of high charge state ions. The medium charge state ions on the one hand shift the space charge limit towards higher intensities and, on the other hand, avoid intensity losses in stripper stages. The most demanding challenges in the operation with medium charge state heavy ions are beam losses due to charge exchange in collisions with residual gas molecules. Further ionized ions are separated from the circulating beam and get lost on the chamber wall, while releasing a big amount of gas via ion stimulated desorption. The local pressure rise increases the probability for further charge exchange of beam ions, and a self-amplification can evolve. This process may result in a complete beam loss. One way to damp this amplification is given by the installation of ion-catchers or collimators, which ensure perpendicular loss on special low desorbing surfaces at the positions of beam loss. The ion optical lattice of the SIS100 of the FAIR accelerator complex has been optimized for the usage of collimators. Almost 100% of the ionization losses can be caught by the ion-catcher system. In the arcs of the synchrotron, a total of 60 ion-catchers is located between the superconducting quadrupoles in a cryogenic environment. This thesis adresses the development, the construction, and the test of a cryocatcher prototype. In SIS18, an ion-catcher system has been installed successfully. In this work it is compared to the ion-catcher system of SIS100, and different measurements with the existing system are presented. Based on the requirements for the new system, the collimator block and its support structure, as well as the surrounding cryogenic, copper plated vacuum chamber is described. The cold surface of the vacuum chamber acts as a cryopump that quickly binds desorbed gas molecules in order to keep the charge exchange losses low. During the construction, particular care was given to the minimization of the pressure on the beam axis. In order to test the cryocatcher-prototype under realistic conditions, a dedicated test-setup with cryostat was designed, constructed, and built. This test-setup was installed at an existing beamline of the GSI-accelerator-complex. The prototype was cooled with liquid nitrogen and liquid helium and then, subsequently, irradiated with heavy ion beams. During the measurement of the ion induced pressure rise in the cold chamber, a rise of the desorption yields with rising beam energy has been observed for the very first time. Measurements at room temperature showed the known decrease of the pressure rise in the investigated energy regime. A transition temperature of 18 K, underneath where hydrogen gets adsorbed, could be verified several times. This result is crucial for a reliable operation of the SIS100. In summary, the cryocatcher-protoype fulfills all requirements and the tests were satisfactory. A series-production for SIS100 can be launched.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Uncontrolled Keywords: GSI, FAIR, Synchrotron, Schwerionen, SIS100, Umladung, Dynamisches Vakuum, Desorption, Kollimator, Kryogen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
GSI, FAIR, synchrotron, heavy ion, SIS100, charge exchange, dynamic vacuum, desorption, collimator, cryogenicEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 19 Jun 2012 12:08
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29684
Additional Information:

In Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzentrum für Scherionenforschung GmbH Darmstadt Diese Arbeit wurde durch die EU gefördert.

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

In Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzentrum für Scherionenforschung GmbH Darmstadt Diese Arbeit wurde durch die EU gefördert.

Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H. and Spiller, Dr. Peter
Refereed: 2 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2968
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