Accelerator

Beschleuniger

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 1 zeigt einen Grundriss der Beschleunigerhalle sowie der angrenzenden Experimentierhalle.

Floorplan of S-DALINAC and experimental area
Abbildung 1: Grundriss der Beschleunigerhalle des S-DALINAC 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.