P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20161 UNILAC Betriebsarten und Parameter HLI: Strahldynamik (Design), Emittanzen, Betrieb RFQ, Matching HSI:

Präsentation zum Thema: "P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20161 UNILAC Betriebsarten und Parameter HLI: Strahldynamik (Design), Emittanzen, Betrieb RFQ, Matching HSI:"—  Präsentation transkript:

1 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20161 UNILAC Betriebsarten und Parameter HLI: Strahldynamik (Design), Emittanzen, Betrieb RFQ, Matching HSI: Matching RFQ, Betriebszustände Hoch- und Nieder-B  Gasstripper: Strahldynamik, Matchingsektion, Mischbetrieb Poststripper: Periodischer Alvarez-DTL, Matching, MAZ, Mischbetrieb Einzelresonatoren: Alternierende-Phasen-Fokussierung Transferkanal: Strahldynamik, periodischer Kanal, Stripperbetrieb Mit freundlicher Unterstützung von Winfried Barth, Gianluigi Clemente, Ludwig Dahl, Lars Groening, Bernhard Schlitt, Wolfgang Vinzenz, Stepan Yaramishev Anmerkung: Folien mit rötlichem Kopf enthalten Hintergrundinformationen, die für den Betrieb nicht unmittelbar hilfreich oder notwendig sind, sondern mehr dem allgemeinen Verständnis dienen sollen

2 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20162 UNILAC Abschnitte: Allgemeines Quelle/LEBTTransportspeziell Anpassung - BeschleunigungTransport... UNILAC besteht im Prinzip aus folgenden funktionalen Blöcken:

3 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20163 UNILAC Abschnitte: HLI DC-Betrieb (außer UN6MK1 und Steerer davor, sowie US4MK6), auch Quelle niedrige Ströme, hohes Tastverhältnis, große Emittanzen

4 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20164 UNILAC Abschnitte: HLI Typische Parameter: Strom 10-100 eµA (Quelle, analysiert) A/q=4...8 Strahlpuls (0...)5ms; geplant bis 8ms bzw. cw 50 Hz (HF), Untersetzung mit Chopper HF-Pulslänge ca. 5,2, 3,2 und 1,2 ms (RFQ!) Einstrahlbetrieb, Magnete (größtenteils) DC Transmission RFQ 50-60%, IH bis 100%, gesamt bis 50% Ion 40 Ar 10+48 Ca 10+12 C 2+54 Cr 8+64 Ni 9+112 Sn 15+124 Sn 17+136 Xe 18+ A/q4.04.86.06.757.17.57.37.6

5 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20165 UNILAC Abschnitte: HLI HLI: Design-Enveloppe UN2MO1UN3QS0UN3MU1UN3QT1UN4MO1 HLI-RFQ

6 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20166 UNILAC Abschnitte: HLI HLI: EZR-Emittanzen

7 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20167 UNILAC Abschnitte: HLI HLI: HF-Betrieb RFQ  "Hinweise für den Betrieb des HLI-RFQ UN4BR1" RFQ mechanisch/thermisch nicht ausreichend stabil für stabilen Betrieb regelmässige Pulsung erforderlich Amplitudenänderungen nur langsam möglich Untersuchungen laufen: 2013 Laser-Vibrometer 2015 Pre-Puls weitere geplant

8 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20168 UNILAC Abschnitte: HLI HLI: HF-Betrieb IH Tank hat kleine Konstruktionsfehler, daher Tauchkolbeneinstellung schwierig Abhilfe ist geplant, aufwendig Kühlkreis mit A3 gekoppelt, zu warm; Tauchkolben stehen fast immer am Anschlag 2014: Kühlwasser HLI-IH / A3 entkoppelt, leider nur geringe Auswirkung auf Tauchkolbenposition

9 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 20169 Anpassung RFQ - IH HLI-RQF Eingangs- und Ausgangs-Emittanz

10 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201610 RFQ: Buncher und Beschleuniger DC-Strahl wird im RFQ adiabatisch (langsam) gebuncht und erst am Ende des RFQ beschleunigt !

11 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201611 Prinzip RFQ: E-Felder zwischen benachbarten Elektroden E-Feld E-Feld:Längs- und Querkomponente durch Modulation der Elektroden Benachbarte Elektroden liegen auf entgegengesetztem Potenzial   Max.  an einer Elektrode  Min.  an der benachbarten Elektrode

12 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201612 RFQ-Felder & Ionenbewegung

13 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201613 UNILAC Abschnitte: HLI HLI: IH Strahldynamik

14 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201614 UNILAC Abschnitte: HSI DC: LEBT, Rest-HSI bei Ein-Strahl-Nieder-B  Betrieb gepulste Quellen Magnete Rampen im Hoch-B  -Betrieb Sehr große Bandbreite bei Strahl- und Betriebsparametern, Hoch/Nieder-B  -Betrieb Zweistrahlbetrieb

15 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201615 UNILAC Abschnitte: HSI Typische Parameter: Nieder-B  : A/q=1...26Hoch-B  : A/q=26...65 (auch Kond.) Penningstrahl, z. B. 40 Ar 2+ 20, 50 Ti 2+ 25, 197 Au 8+ 24.6 MUCIS/MeVVA-Strahl, z. B. 181 Ta 3+ 60.3, 238 U 4+ 59.5 auch 14 N 1+ 14 aus MUCIS auch 197 Au 4+ 49.2, 208 Pb 4+ 52 aus Penning 1...100 eµA 50 Hz / 5 ms 1...10 emA 1 (2,7) Hz, 150 µs mit Penning bis 50 Hz / 5 ms bis 5 Hz / 1,2 ms in  Magnete und HF-Amplitude begrenzt Magnete stehen DC Magnete Rampen Kontrollsystem / Datenversorgung Magnete für Nieder-B  wird erweitert einige Quadrupole am Limit Geplante / laufende Upgrades: Uranterminal, LEBT, RFQ, MEBT

16 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201616 UNILAC Abschnitte: HSI Transversale Strahldynamik HSI-LEBT UL5QT1UL5QD2UL5MU1UL5QT3UH1MU2UH2QQ1 RFQ Quelle

17 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201617 UNILAC Abschnitte: HSI Phasen RFQ, Superlinse, IH1, IH2 einstellbar RFQ Amplitude beeinflusst Bunching und Fokussierung (3D) Anpassung an IH1 mit Superlinse (Fokussierung und Energie) IH sehr empfindlich auf Phase (und Amplitude),  wenige ° (%) führen zu deutlichen Effekten

18 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201618 UNILAC Abschnitte: Gasstripper i.d.R. Mehrstrahlbetrieb Betrieb  Mischbetrieb (Gasdruck!), Wechsel HSI-HLI in der Entwicklung: gepulster Gasstripper schnelle Kickermagnete: 50Hz-Wechsel, Wirbelströme, Hysterese- Effekte

19 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201619 GSI-Gasstripperbereich

20 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201620 Stripperkammer Strahlrichtung 1x10 -4 mbar 5x10 -3 mbar 2x10 -5 mbar

21 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201621 UNILAC Abschnitte: Gasstripper 1.4 MeV/u-Strippersektion UH4QD8US1QD1 Stripperbox US3MK1 US3MK2 US3MK3 Separationsschlitz US4QT5 HSIPoststripper Strahlrichtung US4QD4 Dispersionskurve [a.u.]

22 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201622 UNILAC-HF Hauptoszillator 108 MHz Phasenschieber 108 MHz Phasenachse Tochteroszillator 36 MHz Phasenschieber 36 MHz Phasenachse Tochteroszillator 18 MHz

23 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201623 UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez Rekapitulation longitudinales Matching an Alvarez (s. "Elektrische Felder", L. Groening): HSI → Alvarez: Wechsel von 36 nach 108 MHz Alvarez akzeptiert Bunchlänge von  30°/108 MHz HSI liefert Bunchlänge von  30°/36 MHz entspr.  90°/108 MHz! BB3 muss kräftig bunchen BB3 erzeugt im longitudinalen Fokus Bunchlänge  30°/108 MHz nach dem Fokus fliegen die Bunche wieder auseinander BB4 muss Debunchen, damit die Bunche kurz bleiben

24 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201624 t T RF Frühes Teilchen Alvarez: Phasenfokussierung E Spätes Teilchen Alvarez: Alvarez: feste Sollphase  -30° (A3/4 -25°); Bunchlänge  30° Phasen zw. Alvareztanks fix keine Phasenanpassung oder Rebunching in Zwischentankbereichen ABER: bei Teilenergie (2016!) fehlt Rebunching durch DTL, reine Drift!  Buncher BB5 oder BB6 erhalten Bunche für Einzelresonatoren

25 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201625 UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez Matchingsektion (2 Buncher, 5 Quadrupole) Alvarez I (DTL) periodische Struktur Zwischentank Matching Phasenanpassung HSI↔Alvarez durch 36 MHz Phasenachse BB3-Phase unabhängig von Phasenachse, gehört logisch zu Alvarez

26 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201626 Periodic Lattices, Periodic Beam Envelopes, Matching Alverez DTL has periodic lattice like a synchrotron Iattice has a symmetric, periodic solution of envelope generally, envelope follows an asymmetric, non-periodic path (100% transmission possible) DTL-envelope depends on injection, i.e. "matching" from HSI Beta-Function [m] Distance [m] UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

27 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201627 Mismatch: beam envelope does not follow the periodicity of the lattice Cause for Beam Losses along DTL reason for mismatch is setting of HSI NOT of DTL !!! low beam current: mismatch might create losses and emittance growth usual operating (production): large (!) mismatch detectable just by losses matched injection can be found analytically for low beam currents HSI DTL (A1) mismatched matched Beam Envelope UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

28 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201628 after periodic solution assumed to be known section prior to DTL needs to be set to exactly match this solution seven available knobs: five quadrupoles, 2 bunchers Matching to Periodic Solution with Space Charge seven variables to minimize one value → sum of mismatches in hor., ver. and long. envelope equations + numerical recipies (Powell routine) can do the job (theoretically) UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

29 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201629 Theory: Proper Matching → Minimized Emittance Growth Simulation Mismatched Beams: might give also 100% transmission might deliver "nice" and narrow profiles increase emittance strongly cannot be detected by operators today ! UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

30 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201630 Test of Analytical Model at Real DTL (Low Current) Beam Envelope Measured DTL transmission = 92% ε y = 19 μm ε x = 13 μm vertical horizontal UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

31 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201631 Beam Envelope horizontal vertical use these 5 quads to match to the periodic solution of the DTL section Measured DTL transmission = 99% 2004: Test of Analytical Model at Real DTL (Low Current) UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

32 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201632 Experimental Investigation of Matching Mismatch [a.u] UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez

33 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201633 UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez i.d.R. Mehrstrahlbetrieb Betrieb Magnete in den Zwischentankbereichen (Quad., Steerer) umtastbar Quadrupolmagnete in den Tanks DC ("MAZ-Magnete") Phasen zwischen Alvarez-Tanks fix Mischbetrieb, unterschiedliche A/q müssen auf unterschiedliche End- Energien beschleunigt und transportiert werden 'gutmütige' Struktur in Vorbereitung: Neuer Poststripper, Alvarez oder IH, Orientierung an FAIR, Zeitrahmen ~10 Jahre (ab Beschluss!)

34 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201634 UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez 'Gutmütige Struktur': Große Akzeptanz-Breite 238 U 28+ : A/q=8,5 50 Ti 12+ : A/q=4,2 MAZ?  Akzeptanzen der Alvarez-Tanks betrachten N-Akz > 10 ist gut

35 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201635 UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez 'Gutmütige Struktur': Große Akzeptanz-Breite 238 U 28+ : A/q=8,5 50 Ti 12+ : A/q=4,2 MAZ?  Akzeptanzen der Alvarez-Tanks betrachten N-Akz > 10 ist gut

36 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201636 UNILAC Abschnitte: Poststripper - Alvarez 'Gutmütige Struktur': Große Akzeptanz-Breite 238 U 28+ : A/q=8,5 50 Ti 12+ : A/q=4,2 MAZ=6...7  Akzeptanzen der Alvarez-Tanks betrachten N-Akz > 10 ist gut 2:1 !

37 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201637 UNILAC Abschnitte: Poststripper – Einzelresonatoren und Tunnel Einzelresonatoren: Das longitudinale Schweizer Taschenmesser des Operateurs Nachbeschleunigen oder Abbremsen  kontinuierlich einstellbare Strahlenergie Rebunching/Debunching  Anpassung an SIS mit BB11 / BB12 (s. L. Groening, "Elektrische Felder")  Energieschärfe für EH-Experimente durch Debunching Strahltransport (auch noch...)

38 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201638 UNILAC Abschnitte: Einzelresonatoren Fokussierung als DTL Fokussierung mit APF: Beschleunigt (—) und driftend (…) Alternierende-Phasen-Fokussierung (APF) J. Glatz, L. Groening, EPAC 2002, p. 897 Fokussierung mit APF: durch alt. Phase mitteln sich die fokussierenden Effekte praktisch aus Hauptquadrupole werden nicht benötigt, da HF Felder schwach fokussierenden Kanal bilden Strahl-Enveloppe unabhängig von Steifigkeit und Anzahl beschleunigender ERs; Beschleunigung verhält sich praktisch wie Drift! Vollständiges 6D-Matching an periodische Struktur (vgl. Alvarez) ist nicht notwendig! Anpassung am Ausgang nicht nötig

39 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201639 UNILAC Abschnitte: Einzelresonatoren Strahlen mit unterschiedlichem Alvarez-Phasenvorschub im APF-Mode Alternierende-Phasen-Fokussierung (APF) J. Glatz, L. Groening, EPAC 2002, p. 897 Strahlen verlassen Alvarez wg. MAZ unterschiedlich (Orientierung der Emittanz), Akzeptanz ER = 1/5 Alvarez! Zur Anpassung an ERs genügt Einstellung der Strahlbreite am Eingang und Fokussierung am Ausgang Gepulste Magnete: Quadrupol-Dublett und 2 Driftröhren-Quadrupole am Eingang, Zusätzlich ein gepulster Driftröhrenquadrupol am A4-Ausgang bei nicht angepassten Strahlen im Alvarez (falsches A/Z) Kontrolle mit Gittern möglich! UA4QS31 UA4QD1 UE1QS1/2UE1QS10/11

40 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201640 UNILAC Abschnitte: Einzelresonatoren Strahl behält seine Bunchstruktur in weitem Bereich (Beschleunigung/Abbremsung) bei; wichtig für sukzessive Einstellung der ERs! für weiche Strahlen sollte die Beschleunigungs-Feldstärke reduziert werden (bezogen auf max. 10 V) long. Teilchendynamik kann verbessert werden, indem ER1 als Buncher betrieben wird, wenn weitere ER beschleunigen Long. Verteilung vor ER1/nach ER1/nach ER10 (v.l.) mit ER1 beschleunigend (oben) bzw. als Buncher (unten) J. Glatz, L. Groening, EPAC 2002, p. 897 Bunchlänge APF (—) und DTL (…)

41 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201641 UNILAC Abschnitte: Transferkanal Umtastbar, max. 5 Hz (Magnete) Pulslänge max. 200 µs 1 VirtAcc 'periodisch', andere auf (SIS-)Anforderung TK-Stripper Strahltransport zum SIS Anpassung an SIS (6D)

42 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201642 UNILAC Abschnitte: Transferkanal Transferkanal: Von Einzelresonatoren bis Einschuss SIS BB11 BB12 ER LASEP

43 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201643 UNILAC Abschnitte: Transferkanal Transferkanal: Periodischer Transportkanal TK4-8 Design-Enveloppe, vgl. ‘TK settings’, El Hayek

44 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201644 UNILAC Abschnitte: Transferkanal Transferkanal: Einschuß SIS

45 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201645 UNILAC Abschnitte: Transferkanal Transferkanal: Einschuss TK und Stripper/LASEP UT1MK1 Anpassung an TK bis Lasep UT1QD1 und davor TK1MU1/2 identische Erregung! TK1QD1/2 fix Dispersionskorrektur TK2QD3/4 Optik für Stripper/Lasep Immer theorienah einstellen, Korrekturen im Tunnel! Fokussierung auf Folie und für Ladungstrennung (mit Dipolkanten) TK3QS5 Rücklenkung des Strahls Anpassungs an Transport- strecke

46 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201646 UNILAC Abschnitte: Transferkanal Transferkanal: Design-Enveloppen

47 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201647 Ende

48 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201648 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

49 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201649 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

50 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201650 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

51 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201651 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

52 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201652 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

53 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201653 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

54 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201654 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

55 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201655 Gedrehte Magnete im TK-LASEP

56 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201656 Gedrehte Magnete im TK-LASEP Zeichnung: C. Mühle Ablage 3mm  ΔB/B=3·10 -3 Spezifikation: ΔB/B=1,5·10 -3 TK3MV1

57 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201657 Gedrehte Magnete im TK-LASEP MW Nur Sweeper gedreht: Strahl nicht auf Achse

58 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201658 Gedrehte Magnete im TK-LASEP QS Nur Singulett gedreht: Strahl nicht auf Achse

59 P. Gerhard, GSI Operateursschulung, Februar 201659 Gedrehte Magnete im TK-LASEP MWQS Sweeper und Singulett gedreht: Strahl auf Achse