Innerhalb des BMBF-Rahmenprogramms „Erforschung von Universum und Materie ErUM“ im Bereich "Erforschung der 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 (Oktober 2022 bis September 2025) ca. 272.000 Euro für ein Teilprojekt im Verbundprojekt "WAKE: Wakefeld und Strahlimpedanz Studien für Undulator-Strukturen an BESSY II und dem EuXFEL" einwerben. Im Verbundprojekt WAKE arbeitet die Arbeitsgruppe um Projektleiterin Frau Prof. van Rienen mit Verbundpartnern der Technischen Universität (TU) Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) zusammen. Beide universitären Verbundpartner sind führend auf dem Gebiet der numerischen Simulation der sog. Wakefelder (vgl. Kielwellen eines Bootes), welche parasitär durch die hochrelativistischen Teilchenpakete bei der Passage einer Beschleunigerstruktur angeregt werden können. 

Wakefelder können die Strahldynamik des Teilchenstrahls beeinflussen, zu Strahlinstabilitäten führen oder ungewollte Wärmeverluste herbeiführen. Für den Betrieb von hochenergetischen Lichtquellen wie dem European XFEL (Röntgen-Freie-Elektronen-Laser in Hamburg) oder BESSY II am HZB ist es deshalb unerlässlich die elektromagnetischen Wakefelder und die damit verbundene Impedanz möglichst präzise zu berechnen und umfassend zu verstehen, um unerwünschte Effekte zuverlässig vermeiden zu können. Somit trägt das Projekt dazu bei, die Leistungsfähigkeit dieser und zukünftiger hochenergetischer Lichtquellen zu verbessern, z. B. für die Continuous-Wave-Erweiterung des European XFEL sowie für die geplanten Projekte FLASH2020+ und BESSY III. Alle diese Zukunftsprojekte zielen auf höhere Pulswiederholraten der Elektronenpakete bei gleichzeitig ausreichend hoher Ladung ab. Die Problematik der Wakefelder und strahleninduzierten Verluste bleibt somit auch für künftige Lichtquellen wichtig um Entwicklungskosten zu verringern und unerwartete technische Begrenzungen im Zusammenhang mit Wakefeldern abzuwenden. 

Im Ergebnis wird das Projekt neue und effiziente Simulationswerkzeuge zur Berechnung von Wakefeldern bereitstellen. Aufgrund der zunehmenden Komplexität von Beschleunigerstrukturen übersteigen solche Berechnungen oft die Möglichkeiten der bestehenden Softwareprogramme. Daher wird das Projekt neben seinen spezifischen Zielen und über den Kontext von Lichtquellen hinaus auch Beschleunigerphysiker:innen in verschiedenen Einrichtungen unterstützen, die bessere Simulationswerkzeuge für ihre Impedanzberechnungen und Strukturoptimierungsaufgaben benötigen.

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

Im betreffenden Teilprojekt der Gruppe van Rienen an der Universität Rostock sollen neue und leistungsfähige numerische Verfahren für Wakefeld- und Impedanzberechnungen entwickelt werden. Diese Entwicklung wird für Beschleunigerphysiker:innen immer notwendiger, da die konventionellen Werkzeuge zur Simulation großer Beschleunigerstrukturen mit komplexer Geometrie an ihre Grenzen stoßen. Die neuen Methoden basieren auf der Lösung der Maxwell-Gleichungen im Frequenzbereich unter Verwendung von Finite-Elemente-Methoden hoher Ordnung auf hybriden Netzen, die beim Verbundpartner an der TU Darmstadt weiterentwickelt werden, in Kombination mit modalen Verkettungsmethoden für elektromagnetisch gekoppelte Beschleunigerstrukturen, für welche die Gruppe van Rienen seit langem international ausgewiesen ist. Insbesondere soll die Formulierung der Verkettungsmethode für Zeitbereichssimulationen der Wakefelder erweitert werden um Wakefelder für kurze Elektronenpakete zu berechnen. Zu den geplanten neuen Beiträgen gehört auch die Fähigkeit zur Sensitivitätsanalyse, u.a. auf der Grundlage von sog. Mesh-Morphing-Techniken. Die in diesem Projekt entwickelten numerischen Rechenverfahren sollen für die wissenschaftliche Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden. Sie stellen dann eine leistungsfähige und kostenfreie Alternative zu kommerziellen Berechnungsprogrammen dar.

Projektlaufzeit: 01.10.2022 - 30.09.2025

Bearbeiter: M.Phil. Alistair Muir

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