„STRAND: Berechnungen von Raumladungseffekten und Strahldynamik / Design einer transversalen Kicker-Kavität“

In der Ausschreibung 2015 des BMBF für Vorhaben zur Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der "Erforschung kondensierter Materie an Großgeräten" konnte die Arbeitsgruppe von Frau Prof. van Rienen für ihre Forschung auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik und –technologie für die nächsten drei Jahre (Juli 2016 bis Juni 2019) ca. 350.000 Euro für folgendes Projekt einwerben:

„Berechnung von Raumladungseffekten und Strahldynamik“ (STRAND) im Verbundprojekt „Entwicklung von Maßnahmen zur Milderung von Ioneneffekten in Hochstrom-Beschleunigern“ (MILOS II).

Das Verbundprojekt MILOS II mit den beiden weiteren Verbundpartnern Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn und Helmholtz-Zentrum in Berlin (HZB) wird durch Frau Prof. van Rienen koordiniert. Zusammen mit der Förderung in den Jahren 2013-2016 beträgt die Förderung für diesbezügliche Raumladungs- und Strahldynamikstudien an der Universität Rostock insgesamt ca. 640.000 Euro.

Untersucht wird die Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit Restionen in der hochevakuierten Vakuumröhre in Hochstromspeicherringen und Linearbeschleunigern. Insbesondere liegt der Fokus auf hochbrillanten Lichtquellen basierend auf Hochstromlinearbeschleunigern, sog. „Energy Recovery Linac“ (ERLs). Die Ionendynamik in der Vakuumkammer der Beschleuniger wird systematisch mit eigener sog. „Particle-in-Cell“-Software untersucht, wobei insbesondere die Auswirkungen auf die Qualität des Elektronenstrahls und deren Erhalt durch geeignete Maßnahmen zum sog. „Ion Clearing“ von besonderem Interesse sind.

Die numerischen Ergebnisse werden mit Messungen, die durch die Partner am Electron Stretcher Accelerator (ELSA) in Bonn durchgeführt werden, validiert. Das Projektziel liegt im Auffinden von Kriterien, die einen stabilen Betrieb bereits existierender und innovativer Hochstrom-Elektronenbeschleunigern erlauben. Vor allem werden durch die Anwendung dieser Studien auf den geplanten ERL bERLinPro in Berlin wichtige Erkenntnisse erwartet, die in die Kriterien für einen erfolgreichen Hochstrombetrieb notwendig sind.

Ein Promovierender bearbeitet dieses Forschungsprojekt an der Universität Rostock und in engem Kontakt zu den Verbundpartnern.

Die Modellierung und Simulation von Fragestellungen aus der Beschleunigerphysik und -technologie, insbesondere der Strahldynamik und der Felder in den Hochfrequenzstrukturen bilden neben Themen der Biomedizinischen Technik (s. GRK 1505, www.welisa.uni-rostock.de) einen der beiden Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls.

Die Konzentration der verschiedenen Spezies in der Ionenwolke eines Beschleunigers hängt von den verschiedenen chemischen Komponenten des Restgases in der Vakuumkammer ab. Des Weiteren hängt es auch davon ab, wie leicht jede Spezies aus der Kammer ausgeräumt werden kann, z.B. durch direkte Wirkung der Ionen auf die Strahlrohrwand oder durch Neutralisation an der Oberfläche der Clearing-Elektroden. Daher ist die transversale Verteilung jeder Ionenart, nachdem eine Ionenwolke viele Wechselwirkungen mit einem Elektronenstrahl gehabt hat, entscheidend für unsere Studien. Der Elektronenstrahl besteht aus einer gleichmäßigen Abfolge von sog. Elektronenbündeln. Lücken in der Füllstruktur sind neben den Clearing-Elektroden eine Maßnahme zur Reduzierung schädlicher Effekte der Ionenwolken auf die Qualität der Elektronenbündel.

In Abb. 1 werden die transversalen Verteilungen der parasitären Ionen für zwei möglichen Füllmuster in einem Speicherring gezeigt. Die Abbildungen zeigen eine Vergrößerung rund um die Strahlachse. Es wurden verschiedene Farben verwendet, um die verschiedenen chemischen Spezies in den Wolken zu unterscheiden. Diese Verteilungen wurden durch die Simulation von 27.500 Wechselwirkungen der Ionenwolke mit Elektronenpaketen erhalten, was 55μs des Beschleunigerbetriebs entspricht). Im gezeigten Fall ist dies die erforderliche Zeit, damit sich ein Gleichgewichtszustand in der Konfiguration der Ionenwolke einstellt. Die erforderliche Rechenzeit war in der Größenordnung von 2 Wochen für jede Berechnung, auf einer Maschine mit 256 GB RAM und einem 3,40-GHz-Prozessor.

 

Abb. 1: Transversale Verteilung der Makro-Ionen in einem vergrößerten Bildausschnitt im Zentrum des Strahlrohrs (Simulationsergebnis). Die Darstellung erfasst die Ionenverteilung nach 55 µs für die beiden Betriebskonfigurationen mit 150 bzw. 220 ausgelassen Elektronenpakete in einem Speicherring, der bis zu 274 Hochfrequenzstationen hat und damit bis zu 274 Elektronenpakete beschleunigen kann (man spricht von „clearing gaps“, also reinigenden Lücken im der Abfolge der Teilchenpakete). Die Legende zeigt die Korrespondenz zwischen der Farbe der Punkte und der Ionenmasse als Atomgewicht.

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. habil. Ursula van Rienen

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