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Betrieb des ersten Energy Recovery Linac (ERL) in Deutschland

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.

Abbildung 1 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.

Abbildung 1: 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.

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 2 visualisiert das Prinzip der Phasenveränderung und des ERL-Modus, angewendet auf das S-DALINAC-Layout.

Abbildung 2: 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).