Acceleratorer, och i synnerhet CRYRING Jonkällor, magneter, andra element Enpartikel-teori Ringen Experiment CRYRINGs nästa liv som LSR vid FAIR Ansgar.

En presentation över ämnet: "Acceleratorer, och i synnerhet CRYRING Jonkällor, magneter, andra element Enpartikel-teori Ringen Experiment CRYRINGs nästa liv som LSR vid FAIR Ansgar."— Presentationens avskrift:

1 Acceleratorer, och i synnerhet CRYRING Jonkällor, magneter, andra element Enpartikel-teori Ringen Experiment CRYRINGs nästa liv som LSR vid FAIR Ansgar 24 augusti 2011

2

3 CRYRING-historia 1981-9Planering och design 1991 Lagrad stråle 1992Första publicerade experimentet, e - +D + 2009 Sista experimentet, e - +H 2 O 2 + Totalt ~400 artiklar, ~450 författare, ~45 doktorer nudelvis nermonterad 20xxÅteruppstånden i Darmstadt

4 Jonkällor Vi har använt över 100 olika joner i CRYRING, högt laddade, negativa, molekylära och även cluster D5+, Pb 54 +, CN-, C4D9+, CD3CONHDCH3+ Jonkällor har testats och drivits både av MSL och av våra användare. EBIS, ECR, glödtråd, ultrasonic expansion, cesium sputter, hollow cathode glow discharge Vi har utvecklat metoder att mäta och transportera strålströmmar under 1 nA

5 Böjmagnet, eller dipol

6 Varianter av dipol Sektormagnet – horisontellt fokuserande Rektangulär magnet – vertikalt fokuserande Dubbelfokuserande – därimellan Kombinerad funktion – dipol+kvadrupol Laminerad (billigare om mer än en, går att rampa) Solid

7 Olika joner kommer ut ur jonkällan En böjmagnet ger olika bana åt joner med olika laddning och massa

8 Kvadrupolmagnet

9 Kvadrupoler fokuserar antingen horisontellt eller vertikalt Fältet är noll i centrum B y =k y, B x =k x

10 Galileos teleskop fokusering+defokusering ger nettofokusering

11 Vakuum – ner till 1E-12 torr, inklusive tillverking av kammare och utrustning Supraledande magneter Högspänning och strömaggregat Lågbrusförstärkare Jonproduktion Högfrekvens, 40-1100 kHz, 108 MHz

12 Stråldynamik i en ring y’’ + K(s) y = 0, y horisontell eller vertikal position, K fokusering, s longitudinell koordinat y(s) =  (s)  × sin (  (s)+ ), där  - emittans – konstant, strålens storlek  (s) - betafunktion – mått på hur strålens storlek varierar x = D*∆p/p D(s) – dispersionen

13 Latticefunktioner i 1/6 av CRYRING Endast vissa kvadrupolinställningar ger periodiska lösningar Mitt på en raksträcka BM QF QD QF BM

14 Q-värde – antalet betatronsvängningar per varv CRYRING Qx=2.44 (horisontellt), Qz=2.43 (vertikalt) Det är viktigt att undvika resonanser som Q=2.333 eller Q=2.25. Då kommer partiklar att passera i samma fas var tredje/fjärde varv, och oundvikliga fel i magnetfält ger en putt i samma riktning många gånger.

15 Stråle i horisontella fasrymden Varje partikel rör sig på en ellips Runt ringen ändrar ellipsen form men har samma area

16 Acceleration och fasstabilitet Figure Volker Ziemann

17 Elektronkylaren En kall elektronstråle med samma hastighet som jonerna överlappar jonstrålen på en sektion, och minskar jonernas oordnade rörelse.

18 3 T solenoid 1000 K electrons 0.03 T solenoid 10 K electrons

19 Elektronkylaren

20 Jonerna kommer få samma hastighet som elektronerna

21 Elektronkylningen minskar impulsspridningen tills det blir balans mellan kylning och uppvärmning från kollisioner (intrabeam scattering)  p/p 0.2%  0.01%

22 Intensiteten går ner hos en kyld stråle av Xe 36+ Fasövergång när det är 1 cm mellan jonerna, då kan de inte passera varandra. Intrabeam scattering upphör.

23 Elektrontarget Kylaren användes också för att kollidera joner och elektroner Maximala elektronströmmen minskar med energin, I  V 1.5 En praktisk gräns gick ungefär vid 5 V elektroner för A=100 (jonmassan)

24 Experiment Många experiment har varit i gränslandet mot astronomi, inom området molekylbildning i interstellära moln Där är det kallt, densiteten är låg och det finns enkla molekyler och joner H 3 + + e - → H 2 + H eller H + H + H Olika experiment ger mycket stor skillnad på tvärsnitt Olika sätt att producera H 3 + ger olika värden på vibration och rotation Vibrationellt kalla – vänta några sekunder Rotationellt kalla – supersonic expansion source Därefter studerades skillnaden mellan para-H 3 och orto-H 3 + (orto: parallella kärnspin)

25 Flera experiment Livstid hos metastabila tillstånd, upp till flera sekunder, förbjudna övergångar hos enkelladdade atomära joner (M1, E2, även M2) Rekombination hos atomära joner, e + A n+ → A n-1+ Kollisioner i gastarget, p mot H 2 (Youngs dubbelspaltexperiment)

26 Elektronkylare Gas target Nollgradaren Laserexperiment

27 EBIS – Electron Beam Ion Source

28 REX-ISOLDE at CERN, MSL contributed to EBIS 0. 60 keV 1+ 1. Penning trap 2. EBIS 3. Separation 4. Acceleration EBIS 2 T 150 A/cm2

29

30 CRYRING skall bli LSR i FLAIR i FAIR på GSI LSR – Low energy Storage Ring, ska decelera antiprotoner från 30 MeV till 0.3 MeV, och även tunga högt laddade joner FLAIR - Facility for Low-energy Antiproton and Ion Research – Experiment vid FAIR med bland annat LSR, HITRAP och USR FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research, 13 länder, 1.4 miljarder € GSI – Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (Darmstadt)

31

32

33 Visa att vi kan decelera (  =konstant, så strålen växer när  minskar). Dessutom ökar problem med rymdladdningen, ∆Q ~ N/(  ×  2 ) Ny injektion för 30 MeV antiprotoner, fast behåll injektionen av 0.3 MeV protoner Extraktion, både snabb och långsam över hela energiintervallet

34

35

36 Injektion 30 MeV: Inkommande strålpuls är kortare än ringens omkrets, strålen lagras genom att en snabb magnet är på under 300 ns 0.3 MeV: Inkommande strålpuls är ungefär tio gånger längre än ringens omkrets, strålen lindas på genom att positionen på den lagrade strålen flyttas under 100  s

37 Inköp till injektion och extraktion (två av varje) Septummagneter (septummagnet – dipol med tydlig gräns mellan område med fält för inkommande stråle, och fältfritt område för cirkulerande stråle. Maximalt magnetfält 0.3 T, böjer strålen 17°. Kickermagneter (från noll till fullt fält eller tvärtom på 280 ns, en bråkdel av ett varv, maximalt magnetfält 0.03 T, böjer strålen 1°. Keramiska vakummkammare till kickermagneterna, för att undvika virvelströmmar

38 Septummagnet i genomskärning Stråle

39 Långsam extraktion hårdvara teori mätningar

40 Hårdvara använd vid testerna av långsam extraktion

41 Tunt folie (jordat) tjocklek>0.1 mm förluster  tjocklek/stegstorlek Electrostatiskt extraktionsseptum Separerar cirkulerande och extraherad stråle 30 kV

42 Vitt brus över 1 MHz värmer strålen (snabbare än rotationsfrekvensen, men långsammare än tiden för att passera plattorna) 60 V för en 3 MeV/u deuteronstråle 55 mm 75 mm beam heating

43 Sextupol B = const × x 2 (horisontell position) Utanför acceptansen ökar stegstorleken med x 2 Med stora steg kan jonenerna hoppa över septumet med små förluster

44 Snabb teori för långsam extraktion Q-värdet säger hur många oscillations jonerna gör på ett varv. Q-värdet kontrolleras med fokuseringen; kvadrupolstyrkorna. För långsam extraktion skall Q-värdet vara nära n/3 (CRYRING  2.32) Sextupoler minskar acceptansellipsen and deformerar den till en triangel. Storleken på acceptansen avgörs av avståndet mellan Q-värdet och n/3, samt av styrkan på sextupolerna. Orienteringen hos triangeln styrs av valet av sextupol.

45 Extraktion in horisontella fasrymden Positioner var tredje varv för en jon lite utanför acceptansen. Extraktionen tar några hundra varv Elektrostatiskt septum Form utan sextupol Acceptans med sextupol på

46 Den långsamma extraktionen styrs med brusets amplitud. Initiallt är alla joner innanför acceptansen, sedan ökar bruset den transversella amplituden på jonerna tills de kommer utanför acceptansen

47 Strålcykeln injektion av 0.3 MeV/u deuteroner acceleration under 1 s till 3 MeV/u elektronkylning under 5 s → liten stråle sextupoler på brus under 2 s → extraktion

48 Kylning Extraktion ~0.03 pA Injektion Acceleration Extraherad stråle på REX viewer

49 Extraktion under 1 miljon varv Kvadrupoler, sextupoler, och brus konstant 20 ms medelvärde

50 Magnetrippel Långsam extraktion har alltid problem med n×50 Hz rippel Ripplet kommer från kraftaggregaten till dipoler och kvadrupoler I LSR kommer extraktionen att ske vid låga magnetiska fält, så det relativa ripplet kommer att vara stort

51 Blå – ström mätt på MCP-anoden på REX viewer Rosa - 20 ms medelvärde (utan n×50 Hz)

52 Frekvens [Hz] 50 100 150 250 300 400 600 övriga relativ amplitud 0.128 1.0 0.165 0.054 0.214 0.115 0.055 under 0.05