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Monitor für geladene Teilchenstrahlen für zukünftige Grundlagenforschungseinrichtungen

Die Stromamplitude von geladenen Teilchenstrahlen stellt eine der grundlegenden diagnostischen Größen in modernen Beschleunigeranlagen dar. Die zerstörungsfreie und hochempfindliche Messung dieser Ströme, insbesondere bei niedrigen Strahlintensitäten unter 1 μA, ist von größter Bedeutung für den ordnungsgemäßen Betrieb solcher Anlagen. Dies adressieren wir im Rahmen der aktuellen Verbundforschung.

Prototyp des entwickelten kernlosen kryogenen Ladungsteilchenstrahlmonitors inklusive der Kabelverbindung zur Raumtemperaturelektronik.

Querschnitt der Ringkernspule (hellgrau dargestellt) und die monolithische Umsetzung der magnetischen Abschirmung (der schwarze Außenmäander).

Von V. Zakosarenko // M. Schmelz // R. Stolz

Moderne Teilchenbeschleuniger sind vielseitige Einrichtungen, die eine Vielzahl von Forschungsgebieten in der Grundlagen- und angewandten Physik unterstützen, wie bspw. Untersuchungen der Physik kondensierter Materie oder die Erforschung subatomarer Strukturen bzw. für Teilchenphysiker zum Testen neuer Theorien. Sie bieten beispiellose Möglichkeiten und sind daher von größtem Interesse. Sie werden typischerweise verwendet, um geladene Teilchen auf sehr hohe Energien zu beschleunigen. Der mit geladenen Teilchenstrahlen verbundene Strom stellt eine der grundlegenden diagnostischen Größen in solchen Einrichtungen dar. Die zerstörungsfreie und hochempfindliche Messung dieser Ströme ist für den ordnungsgemäßen Betrieb zwingend erforderlich und von großer Bedeutung für nachfolgende Experimente. Besonders niedrige Strahlintensitäten mit Stromamplituden unter 1 μA stellen eine ständige Herausforderung dar und verlangen nach neuen Messgeräten.Die Forschergruppe Magnetometrie des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien hat gemeinsam mit Kollegen des GSI Helmholtz-Zentrums für Schwerionenforschung Darmstadt, des Helmholtz-Instituts Jena, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Supracon AG ein neuartiges Konzept eines kryogenen Monitors für geladene Teilchenstrahlen für zukünftige Grundlagenforschungseinrichtungen entwickelt. Der Strahlenmonitor basiert auf dem Konzept eines kryogenen Stromkomparators, bei dem geladene Partikel, die einen supraleitenden Ringkern passieren, Abschirmströme an der Oberfläche des Ringkerns induzieren. Durch die Unterbrechung des Weges der Abschirmströme mit der Eingangsspule eines Stromsensors auf Basis einer supraleitenden Quanteninterferenzeinheit (SQUID) kann der Abschirmstrom direkt vom SQUID erfasst werden.Bei diesem neuartigen Konzept verzichten wir nicht nur auf die bisher üblichen Kernmaterialien mit hoher magnetischer Permeabilität, sondern stellen darüber hinaus eine modifizierte Version der magnetischen Abschirmung vor. Dies führt nicht nur zu einer wesentlich einfacheren und leichteren Konstruktion, sondern auch zur Eliminierung der damit verbundenen Rauscheffekte durch das Kernmaterial. Die entsprechend stark reduzierte Induktivität des Ringkerns führt zu einer deutlich reduzierten Kopplung an den Strahl-Strom. Wir überwinden dieses Hindernis durch den Einsatz von hochempfindlichen, angepassten SQUID-Stromsensoren auf Basis der Technologie des Leibniz-IPHT zu Submikron-Cross-Typ Josephson-Kontakten. Auf diese Weise können wir ein Eingangsstromrauschen erreichen, das mit aktuellen kernbasierten Strahlmonitoren im Bereich des weißen Rauschens vergleichbar ist. Bei niedrigen Frequenzen zeigt unsere kernlose Version eine deutliche Verbesserung der Stromauflösung. Für die neue Abschirmgeometrie wird die koaxiale Abschirmung an der Außenseite des Ringkerns anstelle der Vorderseite gefaltet, was es ermöglicht, die Strahlkopplung zum Ringkern zu maximieren und schließlich eine optimale Performance zu erzielen. Darüber hinaus werden durch die monolithische Konfiguration die Relativbewegungen zwischen Abschirmung und Pickup minimiert.Der entwickelte Prototyp hat einen Innen- bzw. Außendurchmesser von 270 mm bzw. 330 mm. Mit einer Höhe von 222 mm wiegt diese Bleikonstruktion etwa 28 kg, was fast der Hälfte der bisherigen Kernversionen entspricht. Durch die Verwendung von supraleitendem Bleimaterial anstelle des typischerweise zum Einsatz kommenden Niobs konnten wir die Herstellungskosten deutlich senken, ohne die Performance des Aufbaus zu beeinträchtigen. Nach dieser sehr erfolgreichen Machbarkeitsstudie konzentrieren sich die aktuellen Entwicklungen auf weitere Verbesserungen des Aufbaus, bspw. in Bezug auf Empfindlichkeit, Bedienkomfort und Robustheit. Damit wird der Weg frei für den breiten Einsatz in modernen Teilchenbeschleunigeranlagen.

Gefördert von: BMBF

Zugehörige Publikationen

V. Zakosarenko, M. Schmelz, T. Schönau, S. Anders, J. Kunert, V. Tympel, R. Neubert, F. Schmidl, P. Seidel, Th. Stöhlker, D. Haider, M. Schwickert, T. Sieber, R. Stolz 2019 Supercond. Sci. Technol. 32 014002 – “Coreless SQUID-based Cryogenic Current Comparator (CCC) for Non-destructive Intensity Diagnostics of Charged Particle Beams”

N. Marsic, W. F. O. Müller, H. De Gersem, M. Schmelz, V. Zakosarenko, R. Stolz, F. Kurian, T. Sieber, M. Schwickert 2019 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 922 134-142 – “Numerical analysis of a folded superconducting coaxial shield for cryogenic current comparators”

P. Seidel, V. Tympel, R. Neubert, J. Golm, M. Schmelz, R. Stolz, V. Zakosarenko, T. Sieber, M. Schwickert, F. Kurian, F. Schmidl, Th. Stöhlker 2018 IEEE Trans. Appl. Supercond. 28 1601205 – “Cryogenic Current Comparators for Larger Beamlines”

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