S-DALINAC

Der supraleitende Darmstädter Elektronenbeschleuniger

Der supraleitende, rezirkulierende Elektronen Beschleuniger S-DALINAC (Superconducting-DArmstadt-LINear-ACcelerator) stellt seit 1991 das zentrale Forschungsinstrument am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt dar. Seitdem wird der S-DALINAC stetig im Rahmen von Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten weiterentwickelt und immer wieder neuen experimentellen Herausforderungen angepasst

Abb. 1: Der Hauptbeschleuniger befindet sich im Hintergrund und die Rezirkulation im Vordergrund.

In Abb. 1 sind der Hauptbeschleuniger und die drei Rezirkulationen des S-DALINAC zu sehen.

Der S-DALINAC ist als Forschungsanlage das Kernstück des von der DFG geförderten Graduiertenkollegs 2128 („AccelencE“) sowie des Sonderforschungsbereichs 1245.

Abb. 2: Grundriss der Beschleunigerhalle des S-DALINAC sowie der angrenzenden Experimentierhalle.

Der S-DALINAC („Superconducting Darmstadt LINear Accelerator“) ist ein supraleitender Elektronenbeschleuniger an der TU Darmstadt, der sich seit 1991 im Betrieb befindet. Ursprünglich mit zwei Rezirkulationen ausgestattet, wurde der Beschleuniger im Jahr 2016 um eine weitere Rezirkulation ergänzt. Auf diese Weise können Elektronen im sogenannten Dauerstrich-Modus (continuous wave) auf bis zu 130 MeV beschleunigt werden. Mithilfe der neuen Rezirkulation ist es ebenfalls möglich, den S-DALINAC in einem Modus mit Energierückgewinnung zu betreiben, was ihn zu einem sogenannten Energy-Recovery-Linac (kurz ERL) macht. Abbildung 2 zeigt einen Grundriss der Beschleunigerhalle sowie der angrenzenden Experimentierhalle.

Als Elektronen-Quelle kann entweder eine thermionische Quelle genutzt werden, wobei die Elektronen auf 250 keV vorbeschleunigt werden oder es kann eine lasergetriebene Quelle genutzt werden, die Spin-polarisierte Elektronen mit einer Vorbeschleunigung von bis zu 125 keV liefert und die den Namen SPIN (S-DALINAC Polarized Injector) trägt. Nach den Quellen folgt eine Kavität (die sogenannte Chopper-Kavität), die den Strahl mit einer Frequenz von 3 GHz periodisch über eine Blende bewegt und den Strahl somit von einem kontinuierlichen Strahl in einen Strahl bestehend aus Paketen umwandelt. Diese Paket-Struktur ist für die nachfolgende Sektion von großer Bedeutung, da die Elektronen nach einer Längenkomprimierung der Pakete in den Injektorbeschleuniger injiziert werden, wo die Elektronen beim Passieren von starken Wechselfeldern (ebenfalls mit einer Frequenz von 3 GHz) einen Energiegewinn von bis zu 10 MeV erfahren, bei einem maximalen Strom von 60 µA. Der Injektorbeschleuniger setzt sich aus einer 5-zelligen und zwei 20-zelligen Niob-Kavitäten zusammen, welche mit flüssigem Helium gekühlt werden, um diese in einen supraleitenden Zustand zu versetzen. Nach dem Injektorbeschleuniger können die beschleunigten Elektronen für die Erforschung von Kernresonanzfluoreszenz genutzt oder aber über einen Dipolmagnet abgelenkt werden, um sie zum Hauptbeschleuniger zu führen. Letzter besteht aus acht 20-zelligen Niob-Kavitäten, ebenfalls supraleitend, und ermöglicht einen zusätzlichen Energiegewinn von 30 MeV pro Durchschuss. Hinter dem Hauptbeschleuniger besteht die Möglichkeit, die Elektronen über die Rezirkulationen zurückzuführen und erneut durch den Hauptbeschleuniger zu schicken. Auf diese Weise sind bis zu vier Durchschüsse möglich, was zu einer maximalen Energie von ca. 130 MeV führt, bei einem maximalen Strom von 20 µA. Nach der Beschleunigung kann der Elektronenstrahl an verschiedene Experimentierplätze geführt werden: (1) Am QCLAM-Spektrometer besteht die Möglichkeit (e,e'x)-Experimente zu untersuchen, (2) das 169°-Lintott-Spektrometer kann für hochauflösende (e,e’)-Experimente genutzt werden und (3) der Niederenergie-Photonentagger NEPTUN kann für Experimente mit energiemarkierten Photonen verwendet werden.

Abb. 3: Dieses Diagramm zeigt den Orbit des Elektronenstrahls für den einfach-rezirkulierenden Modus (rote Markierung). Abhängig davon, ob der zweifach-beschleunigende Modus oder der einfache Energierückgewinnungsmodus (d.h. einmal beschleunigen und einmal abbremsen) eingestellt ist, wird der Strahl an unterschiedlichen Stellen gestoppt: Im Fall des zweifach-beschleunigenden Modus landet der Strahl im E0F1-Strahlfänger (E0F1-Cup), im ERL-Modus wird der Strahl im ERL-Strahlfänger (ERL-Cup) gestoppt.

Am 9. August 2017 wurde der Energierückgewinnungsmodus (engl. Energy Recovery Linac (ERL)) am S-DALINAC erfolgreich realisiert. Damit ist der S-DALINAC der erste Beschleuniger Deutschlands, der im ERL-Modus betrieben werden kann. Weiterführende Informationen zur Messung können in dieser Veröffentlichung gefunden werden.

Abbildung 3 zeigt den Orbit des Elektronenstrahls für den einfachen ERL-Modus, bei dem der Strahl einmal rezirkuliert wird. Der Strahl wird in einer thermionischen Quelle erzeugt und anschließend mithilfe des Injektorbeschleunigers auf ca. 2,5 MeV vorbeschleunigt. Die Elektronen werden danach im Hauptbeschleuniger zunächst um weitere 20 MeV beschleunigt, bevor sie in die rezirkulierende Strahlführung geführt werden. Danach besteht die Möglichkeit, den Strahl ein zweites Mal durch den Hauptbeschleuniger zu schicken. Im konventionellen Modus wird der Strahl erneut beschleunigt und besitzt eine Gesamtenergie von 42,5 MeV, bevor er im E0F1-Strahlfänger (blaue Markierung) gestoppt wird. Alternativ kann der ERL-Modus realisiert werden, wenn die Elektronen beim zweiten Passieren des Hauptbeschleunigers abgebremst werden (Erklärung der Funktionsweise weiter unten). Auf diese Weise kann die kinetische Energie des Strahls, nach seiner Nutzung etwa als Strahlungsquelle, wiedergewonnen werden, denn wenn der Elektronenstrahl abgebremst wird, gibt er einen Teil seiner Energie ab. Diese abgegebene Energie wird in den Kavitäten des Hauptbeschleunigers gespeichert und kann dann zur Beschleunigung nachfolgender Elektronen genutzt werden. Da der Elektronenstrahl nach dem Abbremsvorgang eine geringere Energie aufweist, wird der Strahl nun im ERL-Strahlfänger (grüne Markierung) gestoppt.

Der Wechsel vom zweifach-beschleunigenden Modus hin zum ERL-Modus wird durch eine Veränderung der Weglänge in der Rezirkulation erzielt. Auf diese Weise verändert sich die Flugzeit der Elektronen auf ihrem Weg zurück zum elektrischen Wechselfeld im Hauptbeschleuniger. Die Weglänge wird in einem solchen Maß verändert, dass die Elektronen eine halbe Periodendauer des elektrischen Wechselfelds länger oder kürzer benötigen um zum Hauptbeschleuniger zurückzukehren und somit das elektrische Wechselfeld zu einem Zeitpunkt erreichen, an dem es eine abbremsende Wirkung hat, d.h. die Phase der Elektronen verschiebt sich relativ zum elektrischen Wechselfeld im Hauptbeschleuniger um 180°. Abbildung 4visualisiert das Prinzip der Phasenveränderung und des ERL-Modus, angewendet auf das S-DALINAC-Layout.

Abb. 4: Dargestellt ist das Prinzip des ERL-Modus, angewendet auf das S-DALINAC-Layout. Der erste Elektronenstrahl wird im Hauptbeschleuniger beschleunigt (rot) während der zweite Elektronenstrahl aufgrund einer Verschiebung der Phase um 180° abgebremst wird (grün).

Die Arbeiten an Beschleunigern können in verschiedene Aspekte und Bereiche unterteilt werden. Die folgende Liste von Aktivitäten bietet einen groben Überblick der Bereiche, die zur weiteren Verbesserung und zum Betrieb des S-DALINAC nötig sind:

  • Forschung zu Beschleunigern mit Energierückgewinnung (engl. Energy Recovery Linac (ERL)).
  • Strahldynamiksimulationen mit verschiedenen Softwaretools und IKP-intern entwickelten Algorithmen, um die Strahlführung und das Einstellen des Elektronenstrahls am S-DALINAC zu optimieren.
  • Ausrichtung der Strahlführung, um einen optimierten Strahltransport zu gewährleisten.
  • Verbesserungen des Steuerungssystems in Bezug auf die Entwicklung neuer Software und Hardware sowie eine Optimierung der Steuerungssysteminfrastruktur und somit des Beschleunigerbetriebs.
  • Simulationen und Behandlungen der supraleitenden Kavitäten zur Erhöhung der Gütefaktoren.
  • Entwurf, Simulation, Konstruktion und Messung von Magneten.
  • Simulationen zu Vakuumsystemen.
  • Erweiterungen der Diagnosemöglichkeiten des Elektronenstrahls.
  • Forschung im Hinblick auf die sogenannte Stromaufbruchgrenze (engl. Beam Break-Up (BBU)) bei hohen Strömen in rezirkulierenden Beschleunigern.
  • Simulationen und Messungen zum Strahlenschutz am S-DALINAC.

Diese und viele weitere Tätigkeitsfelder sind essenziell für den erfolgreichen Betrieb eines Beschleunigers.

Der S-DALINAC ist ein an einer öffentlichen Universität betriebener Beschleuniger und kann besichtigt werden. Wir bieten Touren für Gruppen an, die sich für die Funktionsweise von Teilchenbeschleunigern interessieren. Neben individuellen Touren, ist eine Besichtigung des S-DALINAC stets fester Teil der Orientierungswoche für Studienanfänger sowie im Rahmen des Saturday Morning Physics Programms für Schüler der Oberstufe.

Wir haben keine fixen Termine für individuelle Besichtigungen. Zu welcher Zeit der Beschleuniger besichtigt werden kann, ist vom Status der Maschine und der geplanten Strahlzeit abhängig. Wenn Sie an einer Besichtigung interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte daher einige Zeit im Voraus, gerne finden wir einen möglichen Termin.

Kontakt:

Dr. Michaela Arnold (Betriebsleitung S-DALINAC)

Der S-DALINAC wird in erster Linie von Studierenden weiterentwickelt und von selbigen für Forschungszwecke genutzt. Daher besteht die Möglichkeit Abschlussarbeiten am S-DALINAC anzufertigen, wobei der Schwerpunkt auf der Physik und Technik von Beschleunigern und/oder auf der experimentellen Kernforschung liegt.

Aktuelle Themen für Abschlussarbeiten, die im Rahmen einer Bachelor- oder Master-Thesis oder einer Dissertation bearbeitet werden können, oder für Miniforschungsprojekte entnehmen Sie bitte unserer Liste. Für genauere Informationen zu den einzelnen Themen stehen die jeweiligen Ansprechpersonen gerne bereit.

Die frühzeitige Aufnahme von angeleiteter Forschungsarbeit im Rahmen einer Miniforschung gewährt Ihnen Einblicke in das Institut für Kernphysik und erleichtert Ihnen die Auswahl der Arbeitsgruppe für Ihre zukünftige Bachelor- oder Master-Thesis. Gelegenheit zur Aufnahme einer Miniforschung besteht jederzeit.

Sollten Sie unter den angebotenen Abschlussarbeiten oder Miniforschungsprojekten nicht fündig werden, sprechen Sie uns an! In einem persönlichen Gespräch können wir unsere aktuellen Arbeiten mit Ihren Wünschen und eventuellen Vorkenntnissen verknüpfen und Ihnen daraus ein passendes Angebot unterbreiten.

Kontakt:

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla (Akademische Leitung)

Dr. Michaela Arnold (Betriebsleitung S-DALINAC)

Dr. Volker Werner (Leitung Spektroskopie)

Dr. Jonny Birkhan (Leitung Strahlenschutz)

Dr. Oliver Möller (Projektkoordinator DAGATA)

Studierende, die Interesse an Beschleunigerphysik haben und die Forschung am Institut für Kernphysik unterstützen möchten, haben die Möglichkeit als studentische Hilfskraft am S-DALINAC zu arbeiten. Um einen 24/7-Betrieb zu gewährleisten, muss die Anlage rund um die Uhr überwacht werden, sodass wir unter der Woche Nachtschichten und am Wochenende Tag- und Nachtschichten für studentische Hilfskräfte anbieten. Die Hauptaufgabe der studentischen Hilfskräfte ist dabei die Überwachung des Heliumverflüssigers und des Beschleuniger-Betriebs.

Unsere Anforderungen an studentische Hilfskräfte:

  • Technisches Verständnis und Interesse sich auf einem technischen Gebiet weiterzubilden.
  • Zuverlässiges Arbeiten und das Übernehmen von Verantwortung.
  • Spaß an praktischer Arbeit.
  • Eingeschrieben als Student*in in Physik oder einem technisch-orientierten Studiengang.
  • Mindestens im 4. Semester des Bachelorstudiengangs oder bereits im Masterstudiengang.
  • Bisher höchstens zwei Jahre als studentische Hilfskräfte an der TU Darmstadt beschäftigt.
  • Interessiert an einem längeren Beschäftigungsverhältnis (gerne 2 Jahre oder länger).
  • Deutsch-Kenntnisse auf Muttersprachenniveau.
  • Teilnahme an monatlichen Schulungen.
  • Die Bereitschaft 12-Stunden-Schichten (hauptsächlich in der Nacht) zu absolvieren.

Falls Interesse besteht und weitere Informationen zum Stellenangebot erwünscht sind, kontaktieren Sie uns bitte.