supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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2-3 Kapitel 2 Cooler Synchrotron COSY Seit 1992 wird im Forschungszentrum Jülich eine Beschleunigeranlage (COSY) betrieben, die Protonen von etwa 300 MeV/c bis 3,65 GeV/c bzw. Deuteronen im Impulsbereich von 600 MeV/c bis 3,65 GeV/c beschleunigt und speichern kann [Maier97]. Neben internen Experimenten, die den umlaufenden Strahl direkt nutzen, werden über stochastische Extraktion externe Experimentierplätze über Minuten mit konstantem Strahl beliefert. Eine Kickerextraktion ist ebenfalls möglich und liefert extrem kurze Strahlpulse, die zu einem speziell ausgelegten European-Spallation-Source (ESS) Test Target (JESSICA) gelenkt werden können. 2.1 Quellen und Zyklotron JULIC Neben zwei unpolarisierten Quellen, die bereits mittels der bestehenden Injektoranlage das COSY bis zum Raumladungslimit mit unpolarisierten Protonen und Deuteronen füllen können, wird eine dritte Quelle zur Erzeugung von polarisierten Protonen und Deuteronen benutzt. Diese als Colliding Beam Source aufgebaute Quelle [Gebel94] wurde von den Universitäten Bonn, Köln und Erlangen entwickelt und speziell für den Einsatz im Zusammenhang mit dem Vorbeschleuniger konzipiert. Routinemäßig beträgt der Strom polarisierter Ionen etwa 10 µA. Zur Erzeugung polarisierter Teilchen wird ein kernspinpolarisierter H 0 - bzw. D 0 -Strahl mit einem aus entgegengesetzter Richtung beschleunigten Cäsium-Strahl in der Wechselwirkungskammer überlagert (Colliding beams). Es entsteht ein negativ geladener Ionenstrahl, dessen Spinrichtung mittels eines Wienfilters zur Injektion in den Vorbeschleuniger präpariert werden kann. Als Vorbeschleuniger für COSY dient das über 35 Jahre alte Isochron-Zyklotron JULIC [Bräutigam89], das in den 70er und 80er Jahren zu Untersuchungen im Niederenergie- Kernphysikbereich eingesetzt wurde. Das Zyklotron liefert zwar mit einer Impulsunschärfe von ∆p/p < +/- 0,7*10 -3 und einer geometrischen Emittanz von ε x = ε y < 7π mm mrad sowohl für Protonen als auch für Deuteronen einen Strahl hoher Qualität, allerdings sind die Teilchenverluste mit fast 90% erheblich. Durch die sich baulich ergebende lange Strahlführung und wegen der geringen Einschussenergie ins Zyklotron von 4,5 keV/u sowie der hohen Teilchenverluste im
2-4 Zyklotron selber ist die zur Verfügung stehende Anzahl polarisierter Teilchen in COSY limitiert. Da die polarisierten Teilchen als einfach negativ geladene Ionen im Vorbeschleuniger extrahiert werden, erfolgt der Einschuss in COSY durch eine Umladung. Durch schnelle Ablenkmagnete (Bumper) wird der gespeicherte Strahl über die Dauer des Injektionspulses (20 ms) von der Umladungsfolie gelenkt. Die lange Injektionszeit und die Bumper-Injektion selbst führen zur kompletten Auffüllung des transversalen Phasenraums in COSY (ε x < 100π mm mrad, ε y < 30π mm mrad). Das Zyklotron liefert dabei Strahlen mit geringer Impulsunschärfe, die etwa um einen Faktor zwei kleiner ist als die Impulsakzeptanz in COSY (∆p/p < +/- 1,5*10 -3 ). Die lange Injektionsstrahlführung (100m) vom Zyklotron bis COSY hat hierbei keinen Einfluss auf den Teilchenstrom und die Strahlqualität. Sowohl für Protonen als auch für Deuteronen werden nahezu 100% Transmission erreicht. Die Limitierung der zur Verfügung stehenden polarisierten Teilchen wird somit durch das System Quelle-Zyklotron bestimmt. Eine hohe Teilchenzahl bei Experimenten mit polarisierten Teilchen wird allerdings mehr und mehr gefordert. Insbesondere bei den internen Experimenten mit Atomstrahltargets erhöht die zur Zeit limitierte Anzahl polarisierter Teilchen maßgeblich die erforderliche Strahlzeitdauer oder macht gar eine sinnvolle Auswertung der Experimentdaten unmöglich. 2.2 Besonderheiten von COSY COSY zeichnet sich insbesondere durch eine exzellente Strahlqualität aus. Zur Phasenraumkühlung der Protonen bzw. Deuteronen werden zwei sich ergänzende Kühlmethoden eingesetzt: Zum einen die Elektronenkühlung, welche Teilchen bei Injektionsimpulsen bis 600 MeV/c sehr effizient kühlen kann, und zum anderen die stochastische Kühlung, die insbesondere im Speicherbetrieb ab 1.5 GeV/c eingesetzt wird. Bei internen Gas-Targets ermöglicht diese die Kompensation des Energieverlustes durch Strahl-Target Wechselwirkung und führt somit zu einer deutlichen Erhöhung des Duty- Faktors am Target. Bei der Elektronenkühlung wird ein monoenergetischer Elektronenstrahl über eine Wechselwirkungslänge von etwa 2 m parallel zum Protonenstrahl geführt [Prasuhn00]. Die Geschwindigkeit und Richtung der Elektronen entspricht dabei dem Protonen-Sollteilchen. Im Haupteinsatzgebiet der Elektronenkühlung bei Injektion der Protonen von etwa 300 MeV/c entspricht dies einer Elektronenenergie von 22 keV. Der Elektronenkühler wurde bis zu einer Elektronenenergie von 100 keV ausgelegt und eignet sich somit zur Kühlung von Protonen bis zu einem Impuls von 600 MeV/c. Besonders effektiv erwies sich die Elektronenkühlung während des Stacking-Prozesses zur Erhöhung der Teilchenzahl polarisierter Protonen: Beim Stacking werden über viele
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