Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ Plasmabeschleunigung bei PITZ
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- Katarina Zimmermann
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1 Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ Plasmabeschleunigung bei PITZ Matthias Gross Technisches Seminar Zeuthen 13. Januar 2015
2 Motivation > Warum ein neuer Beschleunigertyp wir können das doch schon? > Herkömmliche Beschleuniger funktioneren sehr gut sind aber auch sehr groß (und sehr teuer ) Beispiele Elektronenbeschleuniger: Name Endenergie Größe (Umfang bzw. Länge) European XFEL (linear) 17,5 GeV 1,7 km SLC (linear) 50 GeV 3,2 km HERA (Ring) 27,5 GeV 6,3 km LEP (Ring) 105 GeV 27 km Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 2
3 Problem von herkömmlichen Beschleunigern > Grundsätzliches Problem: Mikroskopische Teilchen werden mit makroskopisch erzeugten Feldern beschleunigt Kleine Feldstärke Großer Beschleuniger > Neue Idee: Plasmabeschleuniger Plasma Gas wake Nutze mikroskopische Felder (Felder zwischen Elektronen und Ionen in einem Plasma) diese sind sehr groß, da die Ladungen sehr dicht zusammen sein können ohne die Baumaterialien zu zerstören > Problem: Man kann keine Magneten, Resonatoren etc. aus einzelnen Atomen zusammensetzen > Lösung: Gezielte Ionisation eines Gases zu einem Plasma mit den gewünschten Eigenschaften Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 3
4 Grundprinzip > Beschleunigung eines Elektrons mit einer Wanderwelle > Bei optimaler Ausnutzung von Nichtlinearitäten sind extrem starke Beschleunigungen möglich Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 4
5 Wie stark kann man beschleunigen? > Maß für die Beschleunigung: Elektrische Feldstärke (Gradient) > Herkömmliche Beschleunigerkavitäten: Bis zu 100 MV/m > Möglich mit Plasmabeschleuniger: Bis zu 1 TV/m!!! = MV/m Plasmabeschleuniger kann mal stärker sein!! > Beispiel: Röntgenlaser European XFEL Endenergie: 17,5 GeV Länge mit herkömmlicher Technik: 1,7 km Möglich mit Plasmabeschleunigung: etwa 20 cm Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 5
6 Demonstration von Strahlgetriebener Plasmabeschleungung > Experiment am SLAC (bei San Francisco) in 2006: 1. Beschleunigung der Elektronen mit dem 3 km langen Beschleuniger auf Endenergie (42 GeV) 2. Verdoppelung der Elektronenenergie (auf 84 GeV) in einer 85 cm langen, angeschlossenen Plasmazelle From: Blumenfeld et al. Nature 445, p. 741 > ABER: Nur wenige Elektronen in dem Strahl erreichen diese Energie der Strahl ist danach für andere Experimente unbrauchbar Tacho > Deshalb: Noch viel mehr Forschung ist benötigt! Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 6
7 Plasmabeschleunigung: Weltweite Forschungsaktivitäten mit Konzentration in Europa Deutsches Elektronen- Synchrotron Courtesy: Ralph Aßmann Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 7
8 Plasmabeschleunigung: Geplantes Experiment am CERN > Teilchenstrahlgetrieben > Übertrage Energie eines Protonenstrahls auf einen Elektronenstrahl > Problem: Für eine starke Beschleunigung werden sehr kurze (0,1 mm) Protonenpakete gebraucht Exististierende Protonbeschleuniger liefern sehr viel längere Pakete (10 cm) > Lösung: Selbstmodulation Courtesy: Patric Muggli Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 8
9 Ausgangsposition Elektronen- Strahl: 6mm lang 0,1mm Durchmesser Plasma (nur Elektronen dargestellt) Gleichmäßig verteilt Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 9
10 Eintritt in das Plasma Plasma (nur Elektronen dargestellt) Elektronen- Strahl Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 10
11 Beginn der Aufteilung in Pakete Plasma (nur Elektronen dargestellt) Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 11
12 Fortschreitende Aufteilung Plasma (nur Elektronen dargestellt) Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 12
13 Fortschreitende Aufteilung Plasma (nur Elektronen dargestellt) Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 13
14 Nach dem Plasmadurchgang Plasma (nur Elektronen dargestellt) Elektronen- Strahl In Pakete aufgeteilt Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 14
15 Simulation der Selbstmodulation Courtesy: Alberto Martinez de la Ossa Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 15
16 PITZ Plasmazelle Design: Gerald Koss Wasserkühlung Thermische Isolierung Heizung e - Helium Verteilung Elektronen Fenster Laser Fenster Ionizationslaserstrahl Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 16
17 Plasmazellenteile vor dem Zusammenbau Vakuumkammer aus Edelstahl Wärmeisolierung: Formsteine Wärmeverteiler aus Kupfer Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 17
18 Zusammengebaute Plasmazelle Wasserkühlung Thermische Isolierung Helium Verteilung Heizung Position des Laserfensters Position des Elektronenfensters Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 18
19 Design des Heiz/Kühlsystems > Prototyp: Einfache Quarzröhre, keine Kühlung (Hohe Temperatur an Enden) > Heizleistung: 305W; Max. Temperatur: 745 C > Simulation und Experiment stimmen überein > ANSYS Simulation der Plasmazelle (Volle Heizleistung): Max. Temperatur 735 C Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 19
20 Temperaturmessung: Versuchsaufbau Verschiebbarer Temperatursensor Plasmazelle Vakuumpumpe Kühlwasser Netzteil Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 20
21 Temp I ( C) Temp I ( C) Temperaturverteilung in der Plasmazelle > Volle Leistung (720W) > Max. Temperatur nur 600 C (870 C außen) > Nur geringe Hilfe durch Heizpaste und Erhöhung der Kühlwassertemperatur > Test bei mittlerer Heizleistung > Reduktion des Kühlwasserflusses in den Seitenarmen: großer Unterschied! > Temperaturdifferenz von außen nach innen <20 C C outside 200C outside, wingcooling off delta T 850 K (SP=25) delta T 840K, heat paste (SP=40) Position (cm) Position (cm) Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 21
22 Streuung am Elektronenfenster > ASTRA Simulationen: Streuung am Fenster erschwert Fokussierung des Elektronenstrahls Fensterposition Mitte der Plasmazelle 0.2 mrad 0.4 mrad Fokus ok nicht optimiert Stark defokussiert > Maximal erlaubter Streuungswinkel: 0.2 mrad Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 22
23 Theorie: Mehrfache Coulombstreuung > Von: Claus Grupen Teilchendetektoren : Mehrfache Coulombstreuung > Wichtige Materialeigenschaft: Strahlungslänge X 0 Gold: 0.3 cm Kapton (Polyimid): 28.6 cm Beryllium: 35.3 cm Polyethylen: 50.3 cm Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 23
24 primaries Simulation: FLUKA electronbeam scattering at kapton foil Keine Folie µm 6 µm 0.1µm no foil 6 μm Kapton X (cm) Courtesy: Rico Schütze Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 24
25 Experiment in PITZ Beam Line 50um Kapton Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 25
26 Elektronenfenster (Streuung des Elektronenstrahls) > Dicke des Elektronenfensters sollte mehrere m betragen Experiment Formel: Coulomb Mehrfachstreuung FLUKA Simulationen Ziel: 0,2 mrad Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 26
27 Gasdiffusion durch das Elektronenfenster > Messung der Leckrate / Einfluss auf Ionengetterpumpe (IGP) > Experiments werden derzeit durchgeführt Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 27
28 Plasmazelle: Einbau in den Beschleuniger Design: Gerald Koss / Alexander Donat / Sebastian Philipp HEDA1 Plasmazelle Elektronenstrahl Fokussiermagnete Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 28 Ionisationslaser
29 Derzeitiger Status der PITZ Beamline Vakuum Bypass Verschobene Schirmstation H1.Scr1 Verschobene Fokussiermagnete Plasmazellenposition Verschobene Fokussiermagnete Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 29
30 Derzeitiges Team > Mechanik / Konstruktion Gerald Koss Sebastian Philipp > Vakuum Dieter Richter > Experimente Rico Schütze (Bachelor) Gaurav Pathak (Doktorand) Osip Lishilin (Doktorand) > Organisation Matthias Gross Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 30
31 Ausblick > Dieses Jahr: Selbstmodulationsexperimente bei PITZ Matthias Gross Einsatz und Aufgabe der Plasmakammer bei PITZ 13. Januar 2015 Page 31
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