Schnelle Rampen, Umladungsverluste und dynamisches Vakuum
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Maschinenexperimente vom 28.08.2007:<br />
<strong>Schnelle</strong> <strong>Rampen</strong>, <strong>Umladungsverluste</strong><br />
<strong>und</strong> <strong>dynamisches</strong> <strong>Vakuum</strong><br />
C. Omet, P. Spiller<br />
11. Oktober 2007<br />
1 Durchführung<br />
Im Rahmen der Maschinenexperimente am SIS18 stand aus der MEVVA-Quelle U 28+ mit<br />
einer Injektionsenergie von 7,08 MeV/u zur Verfügung. Die erreichten Teilchenzahlen bei<br />
Injektion betrugen bis zu 1,35·10 10 , wobei durch Optimierung der Injektion die Multiturn-<br />
Injektionszeit mit 50 µs (ca. 8,5 Umläufe) sehr kurz gewählt wurde. Es wurden beide HF-<br />
Kavitäten mit der maximalen Spannung von jeweils 14 kV betrieben. Der Arbeitspunkt<br />
war Q = (4.18, 3.29) (siehe auch Tab. 2).<br />
Zur Erreichung maximaler U 28+ -Teilchenzahlen nach Beschleunigung wurde mit der<br />
z.Zt. optimalen Ramprate von 4 T/s im 18 Tm-Modus auf 150 MeV/u beschleunigt <strong>und</strong><br />
danach schnell auf den HHD extrahiert. Des weiteren wurde der Closed Orbit mit dem<br />
(momentan nur unter NODAL verfügbaren) CO-Korrekturprogramm innerhalb SIST optimiert.<br />
Die zeitabhängigen Teilchenzahlen wurden mit dem langsamen Strahltransformator<br />
S09DT_ML <strong>und</strong> dem neuen Hochstrom-Transformator S07DT_ML gemessen.<br />
Zur Verbesserung des initialen <strong>Vakuum</strong>druckes wurden vor der Experiment-Schicht die<br />
Ti-Sublimationspumpen gefeuert (sublimiert) <strong>und</strong> eine Pause von bis 2. . . 4 s zwischen<br />
den einzelnen Zyklen eingefügt. Der <strong>Vakuum</strong>druck (als N 2 -Äquivalentdruck) wurde während<br />
des Experiments mittels der im SIS18 installierten Extraktor-<strong>Vakuum</strong>meter (Leybold<br />
IE514) aufgenommen. Die schnelle Druckmessung über ABLASS lieferte leider keine<br />
Daten.<br />
1
Mittlerer Druck p / mbar<br />
2 Ergebnisse<br />
2.1 Initialer <strong>Vakuum</strong>zustand<br />
Der über alle Perioden gemittelte (auf das Restgasspektrum vom 24.10.2006 korrigierte)<br />
Druck vor den Experimenten betrug 1,02 · 10 −10 ±0,05 mbar, während der Experimente<br />
stieg dieser auf bis zu 1,6 · 10 −9 mbar an, siehe Abb. 6(a).<br />
Am Ende der Experimente konnte die eektive Saugleistung des SIS18 bestimmt werden.<br />
Hierbei fand ein verlustbehafteter Zyklus vor dem Ende statt, der eine längere Pause<br />
nach sich zog. Dadurch konnte gemäÿ<br />
(<br />
p = ∆p · exp − t )<br />
+ p 0 , (1)<br />
τ<br />
wobei τ =<br />
V<br />
S eff<br />
ist, mit dem Volumen des SIS18 V ≈ 5,107 m 3 die eektive Saugleistung<br />
S eff (bei 3 · 10 −10 mbar, siehe auch Abb. 1) bestimmt werden zu:<br />
S eff (p = 3 · 10 −10 mbar) = 314 ± 16 l/s. (2)<br />
Der in [1] abgeschätzte Wert betrug S eff (p = 9 · 10 −11 mbar) = 514 ± 20 l/s.<br />
4,0E-10<br />
3,5E-10<br />
pMittel / mbar<br />
pFit / mbar<br />
3,0E-10<br />
2,5E-10<br />
2,0E-10<br />
1,5E-10<br />
1,0E-10<br />
-20 0 20 40 60 80 100<br />
Zeit /s<br />
Abbildung 1: Saugleistungs-Fit an den Druckverlauf im SIS18 nach den Experimenten.<br />
2.2 Zeitabhängige Teilchenzahl<br />
Es konnte durch systematische Optimierung der Injektion, der Radial- <strong>und</strong> Vertikallage<br />
des Strahls insgesamt eine sehr gute Transmission von über 70%. . . 80% erreicht werden,<br />
siehe Abb. 3. Die Teilchenzahlen (siehe Abb. 2) bei Flattop-Energie sind die höchsten,<br />
mit U 28+ jemals erreichten. Oberhalb von etwa 7,5 · 10 9 injizierten Teilchen verringert<br />
sich die Transmission aufgr<strong>und</strong> der dynamischen <strong>Vakuum</strong>eekte jedoch.<br />
2
Teilchen nach Rampe<br />
Transmission bis Flattop-Energie<br />
Man erkennt deutlich, dass eine Erhöhung der Wartezeit zwischen zwei Zyklen von 2<br />
auf 5 s (Reihe ABLASS, 5s) die Transmission verbessert. Dies ist ein direkter Nachweis,<br />
dass die beobachteten Verluste dem <strong>Vakuum</strong>druck zuzuschreiben sind, da für andere<br />
Hochstrom-Eekte wie z.B. Raumladung <strong>und</strong> IBS die Wartezeit vor dem Zyklus keine<br />
Rolle spielt.<br />
8E+09<br />
7E+09<br />
6E+09<br />
28.08.2007 (ABLASS)<br />
28.08.2007 (ABLASS, 5s)<br />
28.08.2007 (Trafo)<br />
5E+09<br />
4E+09<br />
3E+09<br />
2E+09<br />
1E+09<br />
0E+00<br />
0,0E+00 5,0E+09 1,0E+10 1,5E+10 2,0E+10<br />
Injizierte Teilchen<br />
Abbildung 2: Teilchenzahl bei Flattop-Energie als Funktion der injizierten Teilchen.<br />
100%<br />
90%<br />
80%<br />
70%<br />
60%<br />
28.08.2007 (ABLASS)<br />
28.08.2007 (ABLASS, 5s)<br />
28.08.2007 (Trafo)<br />
24.10.2006 19:08:06.600<br />
12.06.2007 09:15:44,720<br />
22.03.2007 18:36:23,630<br />
50%<br />
40%<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
0%<br />
0,0E+00 5,0E+09 1,0E+10 1,5E+10 2,0E+10<br />
Injizierte Teilchen<br />
Abbildung 3: Transmission als Funktion der injizierten Teilchen.<br />
3
U 28+ Teilchen<br />
In Abb. 4 <strong>und</strong> Tab. 1 ist die zeitabhängige Teilchenzahl im SIS18 mit den maximal<br />
erreichten Teilchenzahlen früherer Experimente dargestellt. Man erkennt, dass eine Verbesserung<br />
der extrahierten Teilchenzahl gegenüber 2006 um mehr als einen Faktor 2<br />
erreicht werden konnte.<br />
1,4E+10<br />
1,2E+10<br />
1,0E+10<br />
8,0E+09<br />
2002 (keine <strong>Rampen</strong>)<br />
24.10.2006 19:08:06.600<br />
22.03.2007 18:36:23,630<br />
12.06.2007 09:15:44,720<br />
28.08.2007 21:10:45,170<br />
28.08.2007 21:05:12 (5s)<br />
6,0E+09<br />
4,0E+09<br />
2,0E+09<br />
0,0E+00<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7<br />
t / s<br />
Abbildung 4: Teilchenzahl als Funktion der Zeit<br />
Tabelle 1: Maximale Teilchenzahlen bei Flattop-Energie<br />
Experiment E / MeV/u Inj. Teilchen nach Rampe Transmission %<br />
24.10.2006, 19:08:06 90 4,58 · 10 9 2,81 · 10 9 61,37<br />
22.03.2007, 18:36:23 90 5,43 · 10 9 3,13 · 10 9 57,60<br />
12.06.2007, 09:15:44 196 8,16 · 10 9 3,78 · 10 9 46,36<br />
28.08.2007, 21:10:45 150 1,30 · 10 10 7,12 · 10 9 54,75<br />
28.08.2007, 21:05:12 (5s) 150 1,21 · 10 10 7,20 · 10 9 59,68<br />
Man erkennt in Abb. 5(a), dass die 1/e-Lebensdauer während des Zyklus (d.h. mit<br />
steigender Energie) zunimmt. Dies ist als Funktion der Teilchenenergie in Abb. 5(b)<br />
deutlicher dargestellt. Aus Abb. 5(c) erkennt man darüber hinaus, dass die seit Mitte 2006<br />
eingebaute NEG-Beschichtung is S05/S06 die Lebensdauer durch erhöhte Saugleistung<br />
stark verbessert. Man erreicht nun die gleiche Lebensdauer bei höheren Teilchenverlusten<br />
als früher.<br />
4
U 28+ 1/e-Lebensdauer / s<br />
U 28+ 1/e-Lebensdauer / s<br />
U 28+ 1/e-Lebensdauer / s<br />
1,0<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
0 0,2 0,4 0,6<br />
t / s<br />
2002 (keine Rampe)<br />
24.10.2006 19:08:06.600<br />
22.03.2007 18:36:23,630<br />
12.06.2007 09:15:44,720<br />
28.08.2007 21:10:45,170<br />
28.08.2007 21:05:12 (5s)<br />
1,0<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
0 50 100 150 200<br />
E / MeV/u<br />
24.10.2006 19:08:06.600<br />
22.03.2007 18:36:23,630<br />
12.06.2007 09:15:44,720<br />
28.08.2007 21:10:45,170<br />
28.08.2007 21:05:12 (5s)<br />
(a)<br />
(b)<br />
1,0<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
0E+00 2E+09 4E+09 6E+09<br />
gesamte verlorene Teilchen<br />
2002 (keine Rampe)<br />
24.10.2006 19:08:06.600<br />
22.03.2007 18:36:23,630<br />
12.06.2007 09:15:44,720<br />
28.08.2007 21:10:45,170<br />
28.08.2007 21:05:12 (5s)<br />
(c)<br />
Abbildung 5: 1/e-Lebensdauern von U 28+ .<br />
2.3 Dynamisches <strong>Vakuum</strong><br />
Der Verlauf des mittleren Druckes ist in Abb. 6(a), derjenige der einzelnen Sektionen ist<br />
in Abb. 6 dargestellt. Der gemessene mittlere Druckanstieg ist mit einer Gröÿenordnung<br />
relativ gering, pro Sektion beträgt er jedoch mehr als eine Gröÿenordnung. Die Sensoren<br />
in S01 <strong>und</strong> S04 waren nicht verfügbar.<br />
5
Druck / mbar<br />
Mittlerer Druck p / mbar<br />
Druck / mbar<br />
1E-08<br />
1E-09<br />
1E-10<br />
1E-11<br />
16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00<br />
Zeit<br />
(a)<br />
1E-08<br />
1E-09<br />
S02VM4e<br />
S03VM4e<br />
S05VM4e<br />
S06VM4e<br />
1E-08<br />
1E-09<br />
S07VM1e<br />
S08VM5e<br />
S09VM5e<br />
S10VM1e<br />
S11VM2e<br />
S12VM5e<br />
1E-10<br />
1E-10<br />
1E-11<br />
15:59 17:11 18:23 19:35 20:47<br />
Zeit<br />
1E-11<br />
15:59 17:11 18:23 19:35 20:47<br />
Zeit<br />
(b)<br />
(c)<br />
Abbildung 6: Druckverlauf im SIS18 während der Experimente.<br />
2.4 Simulationen<br />
Es wurde geprüft, ob der gemessene Druckanstieg mit der Simulation der Teilchenverluste<br />
in STRAHLSIM übereinstimmt. Die zeitabhängige Teilchenzahl ist in Abb. 7(a))<br />
dargestellt. Der simulierte <strong>und</strong> gemessene Druck ist in Abb. 7(b) dargestellt. Die gewählte<br />
Desorptionsrate in der Simulation betrug η(E = 11,4 MeV/u) = 31 500mol/Ion,<br />
der Anfangsdruck der Simulation wurde gleich dem gemessenen <strong>und</strong> entsprechend dem<br />
durch die Einbaulage korrigierten mittleren Druck der Messung p 0 = 1,8 · 10 −10 mbar<br />
angenommen.<br />
6
U 28+ Teilchen<br />
mittlerer Druck p / mbar<br />
1,4E+10<br />
1E-09<br />
1,2E+10<br />
1,0E+10<br />
8,0E+09<br />
6,0E+09<br />
Messung<br />
4,0E+09<br />
Sim<br />
2,0E+09<br />
0,0E+00<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
t / s<br />
1E-10<br />
Simulation<br />
p mittel korrigiert<br />
S02VM4e<br />
S03VM4e<br />
S05VM4e<br />
S06VM4e<br />
S07VM1e<br />
S08VM5e<br />
1E-11<br />
S09VM5e<br />
0 2 4 6 8 S10VM1e<br />
S11VM2e<br />
t / s<br />
S12VM5e<br />
(a)<br />
(b)<br />
Abbildung 7: Simulation <strong>und</strong> Messdaten 28.08.2007 20:05:02, 5s.<br />
Man erkennt in S03 den jeweils gröÿten Druckanstieg, was auf die auf dem S03-Scraper<br />
deponierten MTI-Verluste hindeutet. Mit einiger zeitlicher Verzögerung sind die Druckanstiege<br />
auch in den anderen Sektionen sichtbar. Dies wird primär durch die langen<br />
Laufzeiten der Moleküle bis zum jeweiligen Druckmess-Sensor verursacht.<br />
2.5 Closed-Orbit-Korrektur<br />
Zur genauen Analyse des Einusses des Closed Orbits stand erstmals mit SIST (NODAL)<br />
eine (halbautomatische) Möglichkeit zur Verfügung, eine lokale Orbitbeule zu erzeugen.<br />
Dies wurde dazu benutzt, die verfügbare vertikale Akzeptanz des Beschleunigers zu vermessen.<br />
Hierbei wurde auf Injektionsniveau Periode für Periode eine lokale CO-Beule<br />
von ca. 10 mm erzeugt <strong>und</strong> die zugehörigen Verluste bewertet. Daraus ergibt sich der in<br />
Abb. 8 dargestellte vertikale Freiraum <strong>und</strong> die angegebene Soll-Lage für die geringsten<br />
gemessenen Verluste. Auällig ist die starke Begrenzung in S12. Die nalen Steererwerte<br />
sind in Tab. 3 angegeben.<br />
7
Soll-Lage / mm<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
Periode<br />
Abbildung 8: Verfügbarer vertikaler Freiraum <strong>und</strong> Soll-Lage des Strahls für maximale<br />
Akzeptanz.<br />
3 Zusammenfassung<br />
Die momentan optimale Ramprate von Ḃ = 4 T/s bringt zusammen mit der CO-Korrektur<br />
sowie der erhöhten Saugleistung des SIS18 die erwartete Reduktion der <strong>Umladungsverluste</strong>.<br />
Die Verluste könnten weiter reduziert werden, wenn die maximale HF-Bucketäche<br />
(<strong>und</strong> damit auch die Ramprate) weiter erhöht werden könnte (siehe SIS18 Upgrade,<br />
h = 1-Kavität). Zusätzlich werden im kommenden Shutdown weitere Dipol- <strong>und</strong> Quadrupolkammern<br />
NEG-beschichtet, was die Saugleistung weiter erhöht. Es fehlt nun noch<br />
ein Faktor von 17 zum FAIR-Referenzbetrieb (1,25 · 10 11 extrahierte Teilchen).<br />
Der experimentell aufgenommene Restgasdruck zeigt ein viel weniger <strong>dynamisches</strong> (<strong>und</strong><br />
verzögertes) Verhalten als durch die Simulationen berechnet. Dies kann durch die Einbaulage<br />
der Druck-Messsonden verursacht werden; diese sitzen direkt neben den Pumpen,<br />
daher ist der Druck dort immer geringer <strong>und</strong> weniger dynamisch). Der stärkste Druckanstieg<br />
während der Experimente wurde jeweils in S03 beobachtet.<br />
4 Anmerkungen<br />
Die Dipol-Hauptstromversorgung zeigte anfangs jeden 2. bis 3. Zyklus Ausfälle (Abbrüche<br />
der Dipolrampe). Nur durch die Wahl einer Verr<strong>und</strong>ungszeit von 64 ms konnte ein stabiler<br />
Betrieb erreicht werden.<br />
Das <strong>Vakuum</strong>-Messsystem (Webinterface) zeigt Probleme, wenn die Empndlichkeit<br />
(Trigger zum Wegschreiben der Messwerte) auf 10% Veränderung gesetzt wird. Dabei ist<br />
kein Zugri auf die Daten auf dem SQL-Server mehr möglich (Anzeige des akt. Drucks<br />
8
funktioniert, grasche Darstellung <strong>und</strong> Download der Daten dagegen nicht). Die Sonden<br />
in S01 sowie S04 waren zum Zeitpunkt der Experimente nicht verfügbar.<br />
Es gibt immer noch keine Möglichkeit, mit dem Trafo-Programm mehrere Schüsse<br />
hintereinander automatisch aufzeichnen zu lassen (darüber hinaus reagiert es teilweise so<br />
langsam, dass einzelne Schüsse erst gar nicht dargestellt werden).<br />
Der verwendete Experten-Modus von ABLASS dagegen zeichnet beliebig viele Schüsse<br />
hintereinander auf, hat aber eine überlagerte Schwingung/Ripple von ca. 2% des Trafo-<br />
Messwertes auf den Aufzeichnungen. Es fehlt leider noch der Zeitstempel jedes einzelnen<br />
Schusses, so dass Unterbrechungen des Betriebs durch SISMODI-Berechnungen, etc. nicht<br />
erfasst sind. Eine Änderung des Programms ist bereits angestoÿen. Die Rohdaten in<br />
ABLASS sind nicht kalibriert (z.B. muss man sie mit einem Faktor 0,942 im Strom<br />
multiplizieren, um korrekte Skalierungen zu erhalten).<br />
Des weiteren haben einige Kanäle in ABLASS einen überlagerten 50 Hz <strong>und</strong> 150 Hz-<br />
Ripple, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Ursache hierfür sind in der Hardware zu suchen;<br />
eine Kontrolle wurde veranlasst.<br />
9
Strom / A<br />
Amplitude<br />
0,016<br />
0,014<br />
0,012<br />
0,010<br />
0,008<br />
0,006<br />
0,004<br />
0,002<br />
HKR-Trafo<br />
ABLASS, S09DT_frei<br />
ABLASS, S09DT_ML<br />
0,018<br />
0,016<br />
0,014<br />
0,012<br />
0,01<br />
0,008<br />
0,006<br />
0,004<br />
0,002<br />
0,000<br />
18:05:15,96 18:05:16,14 18:05:16,31 18:05:16,48 18:05:16,66<br />
Zeit<br />
0<br />
(a)<br />
1E+02<br />
1E+01<br />
1E+00<br />
S07DT_ML<br />
S09DT_frei<br />
S09DT_ML<br />
1E-01<br />
1E-02<br />
1E-03<br />
1E-04<br />
1E-05<br />
0 100 200 300 400 500<br />
f / Hz<br />
(b)<br />
Abbildung 9: ABLASS-Messdaten im Vergleich zu HKR-Trafodaten.<br />
10
5 Anhang<br />
Tabelle 2: SISMODI-Einstellungen.<br />
Einstellung Wert Einheit<br />
Q h 4,18<br />
Q v 3,29<br />
Chopperfenster 50 µs<br />
Bumperanke 170 µs<br />
Bumperamplitude 90 mm<br />
Sollbahn-Amplitude 5,0 mm<br />
Kickwinkel 5,533 mrad<br />
Kickstart 76,5 deg<br />
Bypasswinkel 4,5 mrad<br />
Radialposition bei Injektion 3,0 mm<br />
Radialposition bei Extraktion −2,5 mm<br />
U-RampAnfang 28,0 kV<br />
U-RampEnde 28,0 kV<br />
U-Flattop 10,0 kV<br />
h 6<br />
dS12MU3I −1,4 mrad<br />
dS12ME1I 6,4 mrad<br />
Ḃ 4,0 T/s<br />
11
Tabelle 3: SISMODI-Expert-Einstellungen.<br />
Einstellung Wert Einheit<br />
S01KM2DV_1 0,763 mrad<br />
S01KM2DV_2 0,1 mrad<br />
S02KM2DV_1 −0,247 mrad<br />
S02KM2DV_2 0,0 mrad<br />
S03KM2DV_1 0,924 mrad<br />
S03KM2DV_2 0,0 mrad<br />
S04KM2DV_1 −0,223 mrad<br />
S04KM2DV_2 −0,241 mrad<br />
S05KM2DV_1 0,061 mrad<br />
S05KM2DV_2 0,0 mrad<br />
S06KM2DV_1 0,068 mrad<br />
S06KM2DV_2 0,261 mrad<br />
S07KM2DV_1 −0,1 mrad<br />
S07KM2DV_2 0,0 mrad<br />
S08KM2DV_1 −0,18 mrad<br />
S08KM2DV_2 0,0 mrad<br />
S09KM2DV_1 −0,208 mrad<br />
S09KM2DV_2 0,0 mrad<br />
S10KM2DV_1 −0,204 mrad<br />
S10KM2DV_2 0,032 mrad<br />
S11KM2DV_1 −0,649 mrad<br />
S11KM2DV_2 −0,82 mrad<br />
S12KM2DV_1 −0,066 mrad<br />
S12KM2DV_2 0,2 mrad<br />
Literatur<br />
[1] C. Omet, P. Schütt, and P. Spiller. Maschinenexperimente vom 24.10.2006: <strong>Schnelle</strong> <strong>Rampen</strong>,<br />
<strong>Umladungsverluste</strong> <strong>und</strong> <strong>dynamisches</strong> <strong>Vakuum</strong> V2. Internal report, GSI, 03 2007.<br />
12