Facility for Antiproton and Ion Research
Auf dieser Seite wird die Beschleunigeranlage vorgestellt. Details zu den hier genannten Begriffen finden sich z. T. im Abschnitt Physikalische Grundlagen.
Grundlagen des Experimentbetriebs an FAIR
Die sich auf dem Gelände der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) im Bau befindliche Forschungsanlage FAIR (Facility for Antiporoton and Ion Research) wird umfangreiche Einrichtungen für die Erzeugung, Speicherung und Beschleunigung von Antiprotonen aufweisen und verschiedene Experimente beheimaten. Neben dem P̅ANDA-Detektor sind dies CBM, APPA und NUSTAR mit Projekten u.a. im Bereich der Atom-, Plasma- und Astrophysik.
Die Beschleunigeranlage
Das folgende Bild (Quelle: FAIR) zeigt den Aufbau der FAIR-Anlage mit den bereits existierenden Einrichtungen (blau: Beschleuniger der GSI), den zukünftigen Komponenten (rot: FAIR-Beschleuniger) und die Lage der verschiendenen neuen Experimente.
Grundlagen des Experimentbetriebs an FAIR
Die sich auf dem Gelände der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) im Bau befindliche Forschungsanlage FAIR (Facility for Antiporoton and Ion Research) wird umfangreiche Einrichtungen für die Erzeugung, Speicherung und Beschleunigung von Antiprotonen aufweisen und verschiedene Experimente beheimaten. Neben dem P̅ANDA-Detektor sind dies CBM, APPA und NUSTAR mit Projekten u.a. im Bereich der Atom-, Plasma- und Astrophysik.
Die Beschleunigeranlage
Das folgende Bild (Quelle: FAIR) zeigt den Aufbau der FAIR-Anlage mit den bereits existierenden Einrichtungen (blau: Beschleuniger der GSI), den zukünftigen Komponenten (rot: FAIR-Beschleuniger) und die Lage der verschiendenen neuen Experimente.
Den Kern der FAIR Beschleunigeranlage stellt das mit supraleitenden Magneten ausgestattete Doppel- Schwerionen Synchrotron SIS100 mit einem Umfang von 1100 Metern dar. Die existierenden Beschleuniger an der GSI, UNILAC und SIS18, werden als Vorbeschleuniger genutzt, um eine Steigerung der Intensitäten zu erreichen. Verschiedene Experimentier- und Speicherringe sind Teil der Anlage. Einer hiervon ist der an dem SIS100 angeschlossenen Collector Ring (CR) durch welchen die stochastische Kühlung von Antiprotonenstrahlen realisiert wird. Die durch den CR vorgekühlten Antiprotonen werden im Recuperated Experimental Storage Ring (RESR) angesammelt und kurzlebige Atomkerne abgebremst. Der New Experimental Storage Ring (NESR) ist für die Elektronenkühlung zuständig. Hierbei liegt die Elektronstrahlenergie von Antiprotonen und radioaktiven Ionen bei bis zu 450 keV. Der High-Energy Storage Ring (HESR) beschleunigt oder bremst die Antiprotonen aus
CR/RESR und bringt diese auf die benötigten Energien. Die Antiprotonen werden im HESR gespeichert und können für PANDA verwendet werden.
CR/RESR und bringt diese auf die benötigten Energien. Die Antiprotonen werden im HESR gespeichert und können für PANDA verwendet werden.
Der Beschleuniger HESR
Der HESR (High Energy Storage Ring, auf Deutsch: Hochenergiespeicherring) ist ein typischer Ringbeschleuniger, auch wenn er von der Form her eher wie eine Rennbahn aussieht. In einem Ringbeschleuniger laufen die Teilchen im Kreis, können also sowohl die Beschleunigungsstufe als auch das Experiment mehrmals durchlaufen.
Um die Teilchen auf ihrer Bahn zu halten, werden starke Magnete eingesetzt. Jedes geladene Teilchen bewegt sich einem Magnetfeld auf einer gekrümmten Bahn. Im elektrischen Feld E⃗ und dem Magnetfeld B⃗ wirkt auf ein Teilchen mit der Ladung q und der Geschwindigkeit v⃗ dabei die Kraft F⃗ = q ∙ E⃗ + q ∙ v⃗ × B⃗. Das Magnetfeld muss also präzise an die Art der Teilchen (davon hängt die Ladung ab) und deren Geschwindigkeit angepasst werden, um die Teilchen millimetergenau auf der vorgesehenen Bahn zu halten. Während der Beschleunigung der Teilchen muss das Magnetfeld also synchron dazu angehoben werden. Aufgrund dessen werden solche Teilchenbeschleuniger als „Synchrotron“ bezeichnet.
Die Bahn der Teilchen zu steuern ist die Hauptaufgabe der großen Dipol-Magnete. Daneben gibt es noch Quadrupol-Magnete (zwei magnetische Nord- und Südpole) und Sextupol-Magnete (drei magnetische Nord- und Südpole). Diese Magnete haben die Aufgabe, den Teilchenstrahl zu fokussieren, denn da die Teilchen alle die gleiche Ladung haben und sich somit gegenseitig abstoßen, würde der Teilchenstrahl sonst immer breiter werden.
Zur Beschleunigung der Teilchen werden elektrische Felder eingesetzt. Hierzu werden in einer so genannten Radiofrequenz-Kavität (RF-Kavität) elektromagnetische Wellen mit hoher Intensität erzeugt, deren Frequenz und Lage genau auf den aktuellen Teilchenstrahl abgestimmt sind. Bildlich gesprochen „sieht“ ein Teilchen vor sich die entgegengesetzte Ladung und wird von dieser angezogen und hinter sich die gleiche Ladung und wird von dieser abgestoßen, beides erhöht die Geschwindigkeit des Teilchens.
Um die Genauigkeit der Messergebnisse zu erhöhen, muss der Teilchenstrahl zudem gekühlt werden, wobei der Begriff „Kühlen“ hier etwas anders benutzt wird als in der Alltagssprache. Was wir im Alltag als Wärme oder Kälte empfinden, ist in der Welt der Atome und Moleküle nichts anderes als Bewegung. Je schneller sich Atome bewegen und rotieren und je mehr Moleküle schwingen, desto wärmer ist es.
Der Teilchenstrahl hat zwar beinahe Lichtgeschwindigkeit, relevant ist hier jedoch die Eigenbewegung der einzelnen Teilchen im Vergleich zum Rest des Teilchenstrahls. Diese Eigenbewegung soll durch die „Kühlung“ des Strahls minimiert werden. Hierzu befindet sich zunächst eine Analysestation im Beschleunigerring, in der der Teilchenstrahl präzise vermessen wird. Für diese Messung wird ausgenutzt, dass die Teilchen im Strahl selbst geladen sind und damit ein elektrisches Feld erzeugen, zudem erzeugen sie durch ihre Bewegung ein magnetisches Feld – somit kann der Teilchenstrahl „berührungslos“ vermessen werden und wird durch die Messung nicht negativ beeinflusst. Auf Basis der Messung wird dann eine durch Magnete bewerkstelligte Korrektur berechnet. Da die Teilchen fast Lichtgeschwindigkeit haben, bleibt für die Übertragung der Messdaten und die Berechnung der Korrektur nur sehr wenig Zeit, daher greift man zu einem Trick: Die Glasfaser-Leitung, die die Daten überträgt, nimmt eine Abkürzung über den direkten Weg von Messstation zum Korrekturmagnet, während die Teilchen dem Weg des Beschleunigers folgen müssen (siehe HESR-Grafik). Auf diesem Weg gewinnt man einige Nanosekunden (1 Nanosekunde = 1 Milliardstel Sekunde oder 1 ns = 10⁻⁹ s) für die Datenübertragung, Berechnung der Korrektur und Einstellung der Stärke des Korrekturmagneten. Mit moderner, hochoptimierter Elektronik ist diese kurze Zeitspanne ausreichend, um die Eigenbewegung der Teilchen ausreichend zu dämpfen und so einen „kalten“ Strahl zu erzeugen.
Um die Teilchen auf ihrer Bahn zu halten, werden starke Magnete eingesetzt. Jedes geladene Teilchen bewegt sich einem Magnetfeld auf einer gekrümmten Bahn. Im elektrischen Feld E⃗ und dem Magnetfeld B⃗ wirkt auf ein Teilchen mit der Ladung q und der Geschwindigkeit v⃗ dabei die Kraft F⃗ = q ∙ E⃗ + q ∙ v⃗ × B⃗. Das Magnetfeld muss also präzise an die Art der Teilchen (davon hängt die Ladung ab) und deren Geschwindigkeit angepasst werden, um die Teilchen millimetergenau auf der vorgesehenen Bahn zu halten. Während der Beschleunigung der Teilchen muss das Magnetfeld also synchron dazu angehoben werden. Aufgrund dessen werden solche Teilchenbeschleuniger als „Synchrotron“ bezeichnet.
Die Bahn der Teilchen zu steuern ist die Hauptaufgabe der großen Dipol-Magnete. Daneben gibt es noch Quadrupol-Magnete (zwei magnetische Nord- und Südpole) und Sextupol-Magnete (drei magnetische Nord- und Südpole). Diese Magnete haben die Aufgabe, den Teilchenstrahl zu fokussieren, denn da die Teilchen alle die gleiche Ladung haben und sich somit gegenseitig abstoßen, würde der Teilchenstrahl sonst immer breiter werden.
Zur Beschleunigung der Teilchen werden elektrische Felder eingesetzt. Hierzu werden in einer so genannten Radiofrequenz-Kavität (RF-Kavität) elektromagnetische Wellen mit hoher Intensität erzeugt, deren Frequenz und Lage genau auf den aktuellen Teilchenstrahl abgestimmt sind. Bildlich gesprochen „sieht“ ein Teilchen vor sich die entgegengesetzte Ladung und wird von dieser angezogen und hinter sich die gleiche Ladung und wird von dieser abgestoßen, beides erhöht die Geschwindigkeit des Teilchens.
Um die Genauigkeit der Messergebnisse zu erhöhen, muss der Teilchenstrahl zudem gekühlt werden, wobei der Begriff „Kühlen“ hier etwas anders benutzt wird als in der Alltagssprache. Was wir im Alltag als Wärme oder Kälte empfinden, ist in der Welt der Atome und Moleküle nichts anderes als Bewegung. Je schneller sich Atome bewegen und rotieren und je mehr Moleküle schwingen, desto wärmer ist es.
Der Teilchenstrahl hat zwar beinahe Lichtgeschwindigkeit, relevant ist hier jedoch die Eigenbewegung der einzelnen Teilchen im Vergleich zum Rest des Teilchenstrahls. Diese Eigenbewegung soll durch die „Kühlung“ des Strahls minimiert werden. Hierzu befindet sich zunächst eine Analysestation im Beschleunigerring, in der der Teilchenstrahl präzise vermessen wird. Für diese Messung wird ausgenutzt, dass die Teilchen im Strahl selbst geladen sind und damit ein elektrisches Feld erzeugen, zudem erzeugen sie durch ihre Bewegung ein magnetisches Feld – somit kann der Teilchenstrahl „berührungslos“ vermessen werden und wird durch die Messung nicht negativ beeinflusst. Auf Basis der Messung wird dann eine durch Magnete bewerkstelligte Korrektur berechnet. Da die Teilchen fast Lichtgeschwindigkeit haben, bleibt für die Übertragung der Messdaten und die Berechnung der Korrektur nur sehr wenig Zeit, daher greift man zu einem Trick: Die Glasfaser-Leitung, die die Daten überträgt, nimmt eine Abkürzung über den direkten Weg von Messstation zum Korrekturmagnet, während die Teilchen dem Weg des Beschleunigers folgen müssen (siehe HESR-Grafik). Auf diesem Weg gewinnt man einige Nanosekunden (1 Nanosekunde = 1 Milliardstel Sekunde oder 1 ns = 10⁻⁹ s) für die Datenübertragung, Berechnung der Korrektur und Einstellung der Stärke des Korrekturmagneten. Mit moderner, hochoptimierter Elektronik ist diese kurze Zeitspanne ausreichend, um die Eigenbewegung der Teilchen ausreichend zu dämpfen und so einen „kalten“ Strahl zu erzeugen.