Schnelle Rampen, Umladungsverluste und dynamisches Vakuum

Maschinenexperimente vom 28.08.2007:
Schnelle Rampen, Umladungsverluste
und dynamisches Vakuum
C. Omet, P. Spiller
11. Oktober 2007
1 Durchführung
Im Rahmen der Maschinenexperimente am SIS18 stand aus der MEVVA-Quelle U 28+ mit
einer Injektionsenergie von 7,08 MeV/u zur Verfügung. Die erreichten Teilchenzahlen bei
Injektion betrugen bis zu 1,35·10 10 , wobei durch Optimierung der Injektion die Multiturn-
Injektionszeit mit 50 µs (ca. 8,5 Umläufe) sehr kurz gewählt wurde. Es wurden beide HF-
Kavitäten mit der maximalen Spannung von jeweils 14 kV betrieben. Der Arbeitspunkt
war Q = (4.18, 3.29) (siehe auch Tab. 2).
Zur Erreichung maximaler U 28+ -Teilchenzahlen nach Beschleunigung wurde mit der
z.Zt. optimalen Ramprate von 4 T/s im 18 Tm-Modus auf 150 MeV/u beschleunigt und
danach schnell auf den HHD extrahiert. Des weiteren wurde der Closed Orbit mit dem
(momentan nur unter NODAL verfügbaren) CO-Korrekturprogramm innerhalb SIST optimiert.
Die zeitabhängigen Teilchenzahlen wurden mit dem langsamen Strahltransformator
S09DT_ML und dem neuen Hochstrom-Transformator S07DT_ML gemessen.
Zur Verbesserung des initialen Vakuumdruckes wurden vor der Experiment-Schicht die
Ti-Sublimationspumpen gefeuert (sublimiert) und eine Pause von bis 2. . . 4 s zwischen
den einzelnen Zyklen eingefügt. Der Vakuumdruck (als N 2 -Äquivalentdruck) wurde während
des Experiments mittels der im SIS18 installierten Extraktor-Vakuummeter (Leybold
IE514) aufgenommen. Die schnelle Druckmessung über ABLASS lieferte leider keine
Daten.
1

Mittlerer Druck p / mbar
2 Ergebnisse
2.1 Initialer Vakuumzustand
Der über alle Perioden gemittelte (auf das Restgasspektrum vom 24.10.2006 korrigierte)
Druck vor den Experimenten betrug 1,02 · 10 −10 ±0,05 mbar, während der Experimente
stieg dieser auf bis zu 1,6 · 10 −9 mbar an, siehe Abb. 6(a).
Am Ende der Experimente konnte die eektive Saugleistung des SIS18 bestimmt werden.
Hierbei fand ein verlustbehafteter Zyklus vor dem Ende statt, der eine längere Pause
nach sich zog. Dadurch konnte gemäÿ
(
p = ∆p · exp − t )
+ p 0 , (1)
τ
wobei τ =
V
S eff
ist, mit dem Volumen des SIS18 V ≈ 5,107 m 3 die eektive Saugleistung
S eff (bei 3 · 10 −10 mbar, siehe auch Abb. 1) bestimmt werden zu:
S eff (p = 3 · 10 −10 mbar) = 314 ± 16 l/s. (2)
Der in [1] abgeschätzte Wert betrug S eff (p = 9 · 10 −11 mbar) = 514 ± 20 l/s.
4,0E-10
3,5E-10
pMittel / mbar
pFit / mbar
3,0E-10
2,5E-10
2,0E-10
1,5E-10
1,0E-10
-20 0 20 40 60 80 100
Zeit /s
Abbildung 1: Saugleistungs-Fit an den Druckverlauf im SIS18 nach den Experimenten.
2.2 Zeitabhängige Teilchenzahl
Es konnte durch systematische Optimierung der Injektion, der Radial- und Vertikallage
des Strahls insgesamt eine sehr gute Transmission von über 70%. . . 80% erreicht werden,
siehe Abb. 3. Die Teilchenzahlen (siehe Abb. 2) bei Flattop-Energie sind die höchsten,
mit U 28+ jemals erreichten. Oberhalb von etwa 7,5 · 10 9 injizierten Teilchen verringert
sich die Transmission aufgrund der dynamischen Vakuumeekte jedoch.
2

Teilchen nach Rampe
Transmission bis Flattop-Energie
Man erkennt deutlich, dass eine Erhöhung der Wartezeit zwischen zwei Zyklen von 2
auf 5 s (Reihe ABLASS, 5s) die Transmission verbessert. Dies ist ein direkter Nachweis,
dass die beobachteten Verluste dem Vakuumdruck zuzuschreiben sind, da für andere
Hochstrom-Eekte wie z.B. Raumladung und IBS die Wartezeit vor dem Zyklus keine
Rolle spielt.
8E+09
7E+09
6E+09
28.08.2007 (ABLASS)
28.08.2007 (ABLASS, 5s)
28.08.2007 (Trafo)
5E+09
4E+09
3E+09
2E+09
1E+09
0E+00
0,0E+00 5,0E+09 1,0E+10 1,5E+10 2,0E+10
Injizierte Teilchen
Abbildung 2: Teilchenzahl bei Flattop-Energie als Funktion der injizierten Teilchen.
100%
90%
80%
70%
60%
28.08.2007 (ABLASS)
28.08.2007 (ABLASS, 5s)
28.08.2007 (Trafo)
24.10.2006 19:08:06.600
12.06.2007 09:15:44,720
22.03.2007 18:36:23,630
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0,0E+00 5,0E+09 1,0E+10 1,5E+10 2,0E+10
Injizierte Teilchen
Abbildung 3: Transmission als Funktion der injizierten Teilchen.
3

U 28+ Teilchen
In Abb. 4 und Tab. 1 ist die zeitabhängige Teilchenzahl im SIS18 mit den maximal
erreichten Teilchenzahlen früherer Experimente dargestellt. Man erkennt, dass eine Verbesserung
der extrahierten Teilchenzahl gegenüber 2006 um mehr als einen Faktor 2
erreicht werden konnte.
1,4E+10
1,2E+10
1,0E+10
8,0E+09
2002 (keine Rampen)
24.10.2006 19:08:06.600
22.03.2007 18:36:23,630
12.06.2007 09:15:44,720
28.08.2007 21:10:45,170
28.08.2007 21:05:12 (5s)
6,0E+09
4,0E+09
2,0E+09
0,0E+00
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
t / s
Abbildung 4: Teilchenzahl als Funktion der Zeit
Tabelle 1: Maximale Teilchenzahlen bei Flattop-Energie
Experiment E / MeV/u Inj. Teilchen nach Rampe Transmission %
24.10.2006, 19:08:06 90 4,58 · 10 9 2,81 · 10 9 61,37
22.03.2007, 18:36:23 90 5,43 · 10 9 3,13 · 10 9 57,60
12.06.2007, 09:15:44 196 8,16 · 10 9 3,78 · 10 9 46,36
28.08.2007, 21:10:45 150 1,30 · 10 10 7,12 · 10 9 54,75
28.08.2007, 21:05:12 (5s) 150 1,21 · 10 10 7,20 · 10 9 59,68
Man erkennt in Abb. 5(a), dass die 1/e-Lebensdauer während des Zyklus (d.h. mit
steigender Energie) zunimmt. Dies ist als Funktion der Teilchenenergie in Abb. 5(b)
deutlicher dargestellt. Aus Abb. 5(c) erkennt man darüber hinaus, dass die seit Mitte 2006
eingebaute NEG-Beschichtung is S05/S06 die Lebensdauer durch erhöhte Saugleistung
stark verbessert. Man erreicht nun die gleiche Lebensdauer bei höheren Teilchenverlusten
als früher.
4

U 28+ 1/e-Lebensdauer / s
U 28+ 1/e-Lebensdauer / s
U 28+ 1/e-Lebensdauer / s
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0 0,2 0,4 0,6
t / s
2002 (keine Rampe)
24.10.2006 19:08:06.600
22.03.2007 18:36:23,630
12.06.2007 09:15:44,720
28.08.2007 21:10:45,170
28.08.2007 21:05:12 (5s)
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0 50 100 150 200
E / MeV/u
24.10.2006 19:08:06.600
22.03.2007 18:36:23,630
12.06.2007 09:15:44,720
28.08.2007 21:10:45,170
28.08.2007 21:05:12 (5s)
(a)
(b)
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0E+00 2E+09 4E+09 6E+09
gesamte verlorene Teilchen
2002 (keine Rampe)
24.10.2006 19:08:06.600
22.03.2007 18:36:23,630
12.06.2007 09:15:44,720
28.08.2007 21:10:45,170
28.08.2007 21:05:12 (5s)
(c)
Abbildung 5: 1/e-Lebensdauern von U 28+ .
2.3 Dynamisches Vakuum
Der Verlauf des mittleren Druckes ist in Abb. 6(a), derjenige der einzelnen Sektionen ist
in Abb. 6 dargestellt. Der gemessene mittlere Druckanstieg ist mit einer Gröÿenordnung
relativ gering, pro Sektion beträgt er jedoch mehr als eine Gröÿenordnung. Die Sensoren
in S01 und S04 waren nicht verfügbar.
5

Druck / mbar
Mittlerer Druck p / mbar
Druck / mbar
1E-08
1E-09
1E-10
1E-11
16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00
Zeit
(a)
1E-08
1E-09
S02VM4e
S03VM4e
S05VM4e
S06VM4e
1E-08
1E-09
S07VM1e
S08VM5e
S09VM5e
S10VM1e
S11VM2e
S12VM5e
1E-10
1E-10
1E-11
15:59 17:11 18:23 19:35 20:47
Zeit
1E-11
15:59 17:11 18:23 19:35 20:47
Zeit
(b)
(c)
Abbildung 6: Druckverlauf im SIS18 während der Experimente.
2.4 Simulationen
Es wurde geprüft, ob der gemessene Druckanstieg mit der Simulation der Teilchenverluste
in STRAHLSIM übereinstimmt. Die zeitabhängige Teilchenzahl ist in Abb. 7(a))
dargestellt. Der simulierte und gemessene Druck ist in Abb. 7(b) dargestellt. Die gewählte
Desorptionsrate in der Simulation betrug η(E = 11,4 MeV/u) = 31 500mol/Ion,
der Anfangsdruck der Simulation wurde gleich dem gemessenen und entsprechend dem
durch die Einbaulage korrigierten mittleren Druck der Messung p 0 = 1,8 · 10 −10 mbar
angenommen.
6

U 28+ Teilchen
mittlerer Druck p / mbar
1,4E+10
1E-09
1,2E+10
1,0E+10
8,0E+09
6,0E+09
Messung
4,0E+09
Sim
2,0E+09
0,0E+00
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
t / s
1E-10
Simulation
p mittel korrigiert
S02VM4e
S03VM4e
S05VM4e
S06VM4e
S07VM1e
S08VM5e
1E-11
S09VM5e
0 2 4 6 8 S10VM1e
S11VM2e
t / s
S12VM5e
(a)
(b)
Abbildung 7: Simulation und Messdaten 28.08.2007 20:05:02, 5s.
Man erkennt in S03 den jeweils gröÿten Druckanstieg, was auf die auf dem S03-Scraper
deponierten MTI-Verluste hindeutet. Mit einiger zeitlicher Verzögerung sind die Druckanstiege
auch in den anderen Sektionen sichtbar. Dies wird primär durch die langen
Laufzeiten der Moleküle bis zum jeweiligen Druckmess-Sensor verursacht.
2.5 Closed-Orbit-Korrektur
Zur genauen Analyse des Einusses des Closed Orbits stand erstmals mit SIST (NODAL)
eine (halbautomatische) Möglichkeit zur Verfügung, eine lokale Orbitbeule zu erzeugen.
Dies wurde dazu benutzt, die verfügbare vertikale Akzeptanz des Beschleunigers zu vermessen.
Hierbei wurde auf Injektionsniveau Periode für Periode eine lokale CO-Beule
von ca. 10 mm erzeugt und die zugehörigen Verluste bewertet. Daraus ergibt sich der in
Abb. 8 dargestellte vertikale Freiraum und die angegebene Soll-Lage für die geringsten
gemessenen Verluste. Auällig ist die starke Begrenzung in S12. Die nalen Steererwerte
sind in Tab. 3 angegeben.
7

Soll-Lage / mm
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Periode
Abbildung 8: Verfügbarer vertikaler Freiraum und Soll-Lage des Strahls für maximale
Akzeptanz.
3 Zusammenfassung
Die momentan optimale Ramprate von Ḃ = 4 T/s bringt zusammen mit der CO-Korrektur
sowie der erhöhten Saugleistung des SIS18 die erwartete Reduktion der Umladungsverluste.
Die Verluste könnten weiter reduziert werden, wenn die maximale HF-Bucketäche
(und damit auch die Ramprate) weiter erhöht werden könnte (siehe SIS18 Upgrade,
h = 1-Kavität). Zusätzlich werden im kommenden Shutdown weitere Dipol- und Quadrupolkammern
NEG-beschichtet, was die Saugleistung weiter erhöht. Es fehlt nun noch
ein Faktor von 17 zum FAIR-Referenzbetrieb (1,25 · 10 11 extrahierte Teilchen).
Der experimentell aufgenommene Restgasdruck zeigt ein viel weniger dynamisches (und
verzögertes) Verhalten als durch die Simulationen berechnet. Dies kann durch die Einbaulage
der Druck-Messsonden verursacht werden; diese sitzen direkt neben den Pumpen,
daher ist der Druck dort immer geringer und weniger dynamisch). Der stärkste Druckanstieg
während der Experimente wurde jeweils in S03 beobachtet.
4 Anmerkungen
Die Dipol-Hauptstromversorgung zeigte anfangs jeden 2. bis 3. Zyklus Ausfälle (Abbrüche
der Dipolrampe). Nur durch die Wahl einer Verrundungszeit von 64 ms konnte ein stabiler
Betrieb erreicht werden.
Das Vakuum-Messsystem (Webinterface) zeigt Probleme, wenn die Empndlichkeit
(Trigger zum Wegschreiben der Messwerte) auf 10% Veränderung gesetzt wird. Dabei ist
kein Zugri auf die Daten auf dem SQL-Server mehr möglich (Anzeige des akt. Drucks
8

funktioniert, grasche Darstellung und Download der Daten dagegen nicht). Die Sonden
in S01 sowie S04 waren zum Zeitpunkt der Experimente nicht verfügbar.
Es gibt immer noch keine Möglichkeit, mit dem Trafo-Programm mehrere Schüsse
hintereinander automatisch aufzeichnen zu lassen (darüber hinaus reagiert es teilweise so
langsam, dass einzelne Schüsse erst gar nicht dargestellt werden).
Der verwendete Experten-Modus von ABLASS dagegen zeichnet beliebig viele Schüsse
hintereinander auf, hat aber eine überlagerte Schwingung/Ripple von ca. 2% des Trafo-
Messwertes auf den Aufzeichnungen. Es fehlt leider noch der Zeitstempel jedes einzelnen
Schusses, so dass Unterbrechungen des Betriebs durch SISMODI-Berechnungen, etc. nicht
erfasst sind. Eine Änderung des Programms ist bereits angestoÿen. Die Rohdaten in
ABLASS sind nicht kalibriert (z.B. muss man sie mit einem Faktor 0,942 im Strom
multiplizieren, um korrekte Skalierungen zu erhalten).
Des weiteren haben einige Kanäle in ABLASS einen überlagerten 50 Hz und 150 Hz-
Ripple, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Ursache hierfür sind in der Hardware zu suchen;
eine Kontrolle wurde veranlasst.
9

Strom / A
Amplitude
0,016
0,014
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
HKR-Trafo
ABLASS, S09DT_frei
ABLASS, S09DT_ML
0,018
0,016
0,014
0,012
0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
18:05:15,96 18:05:16,14 18:05:16,31 18:05:16,48 18:05:16,66
Zeit
0
(a)
1E+02
1E+01
1E+00
S07DT_ML
S09DT_frei
S09DT_ML
1E-01
1E-02
1E-03
1E-04
1E-05
0 100 200 300 400 500
f / Hz
(b)
Abbildung 9: ABLASS-Messdaten im Vergleich zu HKR-Trafodaten.
10

5 Anhang
Tabelle 2: SISMODI-Einstellungen.
Einstellung Wert Einheit
Q h 4,18
Q v 3,29
Chopperfenster 50 µs
Bumperanke 170 µs
Bumperamplitude 90 mm
Sollbahn-Amplitude 5,0 mm
Kickwinkel 5,533 mrad
Kickstart 76,5 deg
Bypasswinkel 4,5 mrad
Radialposition bei Injektion 3,0 mm
Radialposition bei Extraktion −2,5 mm
U-RampAnfang 28,0 kV
U-RampEnde 28,0 kV
U-Flattop 10,0 kV
h 6
dS12MU3I −1,4 mrad
dS12ME1I 6,4 mrad
Ḃ 4,0 T/s
11

Tabelle 3: SISMODI-Expert-Einstellungen.
Einstellung Wert Einheit
S01KM2DV_1 0,763 mrad
S01KM2DV_2 0,1 mrad
S02KM2DV_1 −0,247 mrad
S02KM2DV_2 0,0 mrad
S03KM2DV_1 0,924 mrad
S03KM2DV_2 0,0 mrad
S04KM2DV_1 −0,223 mrad
S04KM2DV_2 −0,241 mrad
S05KM2DV_1 0,061 mrad
S05KM2DV_2 0,0 mrad
S06KM2DV_1 0,068 mrad
S06KM2DV_2 0,261 mrad
S07KM2DV_1 −0,1 mrad
S07KM2DV_2 0,0 mrad
S08KM2DV_1 −0,18 mrad
S08KM2DV_2 0,0 mrad
S09KM2DV_1 −0,208 mrad
S09KM2DV_2 0,0 mrad
S10KM2DV_1 −0,204 mrad
S10KM2DV_2 0,032 mrad
S11KM2DV_1 −0,649 mrad
S11KM2DV_2 −0,82 mrad
S12KM2DV_1 −0,066 mrad
S12KM2DV_2 0,2 mrad
Literatur
[1] C. Omet, P. Schütt, and P. Spiller. Maschinenexperimente vom 24.10.2006: Schnelle Rampen,
Umladungsverluste und dynamisches Vakuum V2. Internal report, GSI, 03 2007.
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