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Reisebericht zum TRIUMF in Vancouver 6.6.09 - 14.6.09
FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver Reisebericht zum TRIUMF in Vancouver 6.6.09 - 14.6.09 L. Bozyk Version 1.0 18. Juni 2009 Berich über meine Reise an das TRIUMF in Vancouver, Kanada vom 6.6.09 bis 14.6.09. Ziel der Reise war es eine Zusammenarbeit mit Igor Sekachev im Bereich Kryogenik für das SIS100 Kryo-Kollimator-Projekt zu etablieren. Neben der dortigen Beschleunigeranlage und den Heliumanlagen wurden mir die Entwürfe für einen Teststand für ein Kryo-Panel erläutert. In verschiedenen Diskussionen mit Mitarbeitern aus der Vakuum/Kryogenik-Gruppe wurden verschiedene Konzepte und Detaillösungen für das Kryo-Kollimator-Projekt entwickelt. Weiterhin wurden Überlegungen angestellt, wie der KryopanelTeststand für den Kryo-Kollimator verwendet werden könnte. 1 Tagesberichte Noch am Sonntag lernte ich Alexander Bleile von der GSI kennen, welcher in kryogenen Angelegenheiten für einen Monat am TRIUMF tätig war. Er zeigte mir einige Teile der Beschleunigeranlage und verschiedene Teile der dortigen Kryo-Anlagen. Im Verlauf des Tages fand ein Gruppentreffen der Kryo-Vakuum-Gruppe statt, bei welchem ich den Mitarbeitern als Kollaborationspartner aus Deutschland von der GSI vorgestellt wurde und wo ich kurz dem Zweck meines Besuches erläuterte. Später traf ich mich mit Igor Sekachev, welcher mir ein zweiphasiges Konzept für das Kryo-Kollimator Projekt vorschlug. Die erste Phase beinhaltet einige Vorab-Tests, welche am TRIUMF in dem zu erstellenden Kryo-Panel-Teststand durchgeführt werden können und eine Grundlage für die zweite Phase, den eigentlichen Prototypen an der GSI, bilden würden. Der Dienstag begann mit einem weiteren Gruppentreffen. Im Anschluss daran erläuterte ich noch einmal in einem kleineren Kreis das Kryo-Kollimator-Projekt und die zwei von Igor Sekachev vorgeschlagenen Phasen. Im Verlaufe des weiteren Tages habe ich lange mit Dimo Yosifov und Alexey Koveshnikov verschiedene Aspekte erörtert. Speziell ging es um die Verbindung des Kupferblocks mit dem Edelstahlblock, sowie Ideen für die Phase 1. Der Mittwoch war geprägt von einer ausführlichen Führung durch die BeschleunigerAnlage des TRIUMF durch Dimo Yosifov mit Schwerpunkt auf den kryogenen Komponenten. Im Anschluss daran fand eine weitere Diskussionsrunde mit Dimo Yosifov und Alexey Koveshnikov statt, in welcher das Konzept der Verbindung von Kupfer EDMS Document number: not set yet 1 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver und Edelstahl verfeinert wurde. Außerdem bekam ich noch einmal das Konzept des Kryopanel-Testaufbaus erklärt, woraufhin ich daraus Ideen für den Kryo-KollimatorTeststand ableiten konnte. Bis Donnerstag hatte ich Zeichnungen von verschiedenen Konzepten angefertigt und Details dazu mit Dimo Yosifov diskutiert. Weiterhin haben wir ein Konzept für den Kollimator-Testaufbau angeschnitten. Im Verlaufe des Tages zeigte Alexander Bleile mir verschiedene Dewar-Gefäße und einen alten Kryostaten, siehe Abbildung 6. Eine Nachfrage bei Igor Sekachev ergab, dass es sich hierbei um einen Kryostaten zum Magnete-Testen handelt, welcher derzeit nicht gebraucht wird. Wenn sichergestellt wird, dass er nicht aktiviert wird, bestünde sogar die Möglichkeit diesen für einige Monate für den Testaufbau an der GSI auszuleihen. Auf jeden Fall soll ich technische Zeichnungen dieses Kryostaten bekommen um ihn ggf. als Vorbild für einen eigenen Kryostaten zu verwenden. Am Freitag ist nicht mehr viel passiert, da alle viel zu tun hatten. An diesem Tag habe ich verschiedene Zeichnungen verfeinert und eine Vortrag über die OffLine Ion Source gehört. 2 Ergebnisse aus den Diskussionen Im Folgenden sollen die verschiedenen entwickelten Konzepte vorgestellt werden. Zuerst wird der Kryo-Panel Testaufbau beschrieben, welcher ggf. mit Modifikationen für die Phase 1 verwendet werden könnte. Im Folgenden werden verschiedene Konzepte beschrieben bezüglich der Verbindung des Kupfer-Blocks mit dem Edelstahl-Block und Idee für den Testaufbau an der GSI. 2.1 Kryo-Panel Testaufbau am TRIUMF Zur Bestimmung der Saugleistung kryogener Oberflächen soll am TRIUMF ein Teststand aufgebaut werden, siehe Abbildung 1. Für diesen Teststand soll in eine vorhandene Vakuumkammer (Abbildung 1(d)) ein Kryopanel eingebaut werden. Dieses KryoPanel besteht im Wesentlichen aus einem von flüssigem Helium durchflossenem Rohr, umgeben von einem Wärmeschild, welches auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff gekühlt wird (Abbildung 1(b)). Die Sigma-Form des Wäremschildes (Abbildung 1(c)) erlaubt es Gasteilchen durch den Schlitz in das Innere des Kryo-Panels vorzudringen, um dort an dem kalten LHe-Rohr auszufrieren. Es soll über einen der äußeren Flansche der Restgasdruck in der gesammten Kammer gemessen werden. Es bestünde die Möglichkeit diesen geplanten Testaufbau zu modifizieren, sodass man die Möglichkeit hätte, ein Vorab-Modell des Kryo-Kollimators zu integrieren. Auf diese Art und Weise könnten die Rechnungen zur Temperatur-Verteilung überprüft werden. Insbesondere Übergänge und Verschraubungen zwischen verschiedenen Komponenten sind schwierig zu modellieren. Konkret würde ein Teil eines Kollimators mit einer Halterung innerhalb des Wärmeschildes an das LHe-Rohr montiert und abgekühlt. Mit einer Heizung würde Wärme in den Kollimator eingebracht werden und die Temperatur des Blockes als Funktion der Heizleistung beobachtet. Im SIS100 würde diese Heizleistung möglicherweise ausschließlich durch verlorenen Ionen eingebracht werden. Weiterhin könnte eine Art Ausgasmessung gemacht werden, also der Druckanstieg in der Kammer als Funktion der Kollimatortemperatur beobachtet werden. Auf diese Art 2 18. Juni 2009 Version 1.0 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver (a) Komplette Kryo-Testkammer (b) Kryopanel (c) Sigma Schild (d) Existierende Vakuumkammer Abbildung 1: Geplanter Kryopanel Testaufbau am TRIUMF: (a) Zeichnung des kompletten Testaufbaus, (b) Detailzeichnung des Kryo-Panels im Inneren der Testkammer, (c) Queransicht des Sigma-förmingen Stickstoffschildes, (d) Foto der existierenden Vakuumkammer Version 1.0 18. Juni 2009 3 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver und Weise könnte das verwendete Material bzgl. Ausgaseigenschaften vermessen und optimiert werden. Bei dem Testaufbau ist man dadurch beschränkt, dass nur ein kleiner Flansch zum Einfügen von Bauteilen in die Vakuumkammer zur Verfügung steht. 2.2 Verbindung zwischen Kupfer- und Edelstahl-Block In seiner derzeitigen Version besteht der Kryo-Kollimator aus zwei Teilen: Der vordere, dem Strahl zugewandte Teil ist ein Kupfer-Block mit Goldbeschichtung und NickelDiffusionssperre, ähnlich wie das Kollimatorsystem im SIS18. Dieser Block soll die einfallenden Ionen vollständig stoppen, dazu sollte eine Länge von ca. 50 mm ausreichen. An diesen Kupferblock schließt sich ein Edelstahl-Block an, welcher die Aufgabe hat, sekundäre Teilchen wie Neutronen zu stoppen. Aus Fluka-Rechnungen ist zu entnehmen, dass ca. 250 mm ausreichen. Bisher war vollkommen ungeklärt, wie diese beiden Komponenten miteinander verbunden werden sollen. Aus verschiedenen Diskussionen wurde eine Möglichkeit entwickelt, beide Teile mit herkömmlichen Schrauben zu verbinden, siehe Abbildung 2. Die 0.1 mm dicke Silberfolie zwischen den beiden Blöcken dient einem möglichst guten Wärmetransfer. Es ist zwar das Ziel die Vorderseite des Kollimators auf eine Temperatur von ca. 50 K zu bringen, der Übergang von dieser Temperatur zu den 5 K der Kammerwand soll jedoch in der Halterung stattfinden, sodass der gesammte Kollimatorblock als eine Art Wärmereservoir dient, wodurch die Temperatur einigermaßen stabil gehalten wird. Dementsprechend ist die Halterung so zu gestalten, dass sie eine möglichst schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, siehe Abschnitt 2.3. Die weiche Silberfolie soll Unebenheiten der beiden Oberflächen weitestgehend ausgleichen. Dazu ist ein entsprechender Anpressdruck von Nöten. Daher soll der Kupferblock mit vier belüfteten Schrauben auf dem Edelstahl-Block geschraubt werden. Entgasungsbohrungen für die Gewindelöcher sind ebenfalls vorzusehen. Es wäre auch denkbar, die Lippe“ nicht an dem Kupferblock anzbringen, sondern an ” dem Edelstahl-Block, wodurch dem Strahl eine größere ebene Fläche entgegen gesetzt werden würde. Ebenfalls möglich wäre es auf beiden Blöcken eine Lippe anzubringen. Dadurch bräuchte man keine Gewindebohrungen sondern Schraubenmuttern, hätte jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Herstellung der Blöcke. 2.3 Kollimator-Halterung Das Konzept des Kollimators ist das gezielte Einfangen verlorener Strahl-Ionen durch das Entgegensetzen einer senkrechten Oberfläche. Bei senkrechtem Einfall wird die Desorption deutlich gegenüber streifendem Einfall reduziert. Da sich der Kollimator im SIS100 jedoch in einer kryogenen Umgebung befindet, ist damit zu rechnen dass auch an ihm Gase ausfrieren. Um dies zu verhindern soll er auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, ∼50 K. ( Wo nichts ist kann auch nichts desorbiert werden.“) Um dies ” zu erreichen muss der Kollimator auf irgendeine Art geheizt werden. Die derzeitigen Überlegungen gehen in die Richtung, den Kollimator ausschließlich durch eintreffende Ionen zu heizen. Dazu wurde mit Hilfe von StrahlSim eine Leistung der verlorenen Ionen abgeschätzt, siehe Abbildung 3. Dazu wurden mehrere Zyklen mit schneller Extraktion simuliert. Die auf den Kollimatoren deponierte Energie wurde nach der Zeit differenziert, wodurch sich eine zeitabhängige Leistung ergibt. Aus dieser stark variierenden Leistung wurde ein Mittelwert gebildet und gleichmäßig auf alle 4 18. Juni 2009 Version 1.0 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver Abbildung 2: Explosionszeichnung des Kollimatorblocks mit den einzelnen Komponenten zur Verbindung des Kupfer- und des Edelstahl-Blockes 60 Kollimatoren verteilt, sodass sich eine individuelle Heizleistung von ∼1.5 W ergibt. Inwiefern dieser Abschätzung vertraut werden kann, muss noch im Detail diskutiert werden, da hier relativ geringe Verluste angenommen wurden. In der folgenden Ansys-Rechnung wurde ein Modell des Kollimators mit einer Edelstahl-Halterung verwendet, welche den Kollimator in einem runden Rohr abstützen könnte. Edelstahl ist bei tiefen Temperaturen ein sehr schlechter Wärmeleiter, etwa 5 Größenordnungen schlechter als Kupfer. Die mittleren 1.5 W aus der Simulation wurden als Heizleistung auf der Vorderseite des Kupfer-Blocks aufgebracht und die Füße der Halterung auf eine Temperatur von 4.5 K gesetzt. Das resultierende Temperaturprofil ist in Abbildung 4(a) zu sehen. Durch geschickte Reduzierung des Querschnittes der Aufhängung wurde der Kollimator hier auf eine Temperatur von ∼180 K gebracht, wobei Wärmestrahlung bisher vernachlässigt wurde. Das kann bei diesen Temperaturunterschieden nicht mehr gerechtfertigt werden, selbst wenn der Emissionskoeffizient nur ε ' 0.05 beträgt. (Bei ∆T ' 40 K spielt die Wärmestrahlung dadurch noch keine große Rolle. ) Da die vom Strahl verfügbare Heizleistung nur schwer abgeschätzt werden kann, wurde selbige in Abbildung 4(b) variiert. Der Emissionskoeffizient von Edelstahl beträgt vermutlich ε = 0.05. Dies ist jedoch bisher nur eine Abschätzung, da noch keine verlässlichen Werte für tiefe Temperaturen gefunden wurden. Aus diesem Grund wurden zusätzlich folgende Emissionskoeffizienten angenommen: ε = 0, keine Wärmestrahlung und ε = 1, schwarzer Strahler. Der wahre Emissionskoeffizient wird also irgendwo dazwischen liegen. Aus diesen Temperaturrechnungen ist zumindest schon einmal zu erkennen, dass es möglich sein sollte, eine Aufhängung zu konstruieren, welche einen derart schlechten Version 1.0 18. Juni 2009 5 Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver P on Collimators / W P on walls / W Beam Endery / MeV/u Avg. Collimator-Power: 88.836545 W Avg. Single Collimator-Power: 1.480609 W (60 Collimators) Avg.. Wallpower: 3.742424 W 500 400 Beam Energy / MeV/u Deposited Power on all Collimators / W FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt 2500 2000 300 1500 200 1000 100 500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time in s 0 Abbildung 3: Verlustleistung auf den Kollimatoren, welche diese aufheizt Wärmeleitwert hat, dass eine relativ geringe Heizleistung vom Strahl den Kollimator auf die Zieltemperatur bringen kann, ohne dass man eine Heizung braucht, welche eine zusätzliche Last für die Kryo-Anlage bedeutet. 2.4 Konzepte für den Kryo-Kollimator-Teststand Im Kryo-Kollimator-Teststand soll zum Einen das generelle Konzept des Kollimators auf erhöhter Temperatur getestet werden, zum Anderen sollen zwei verschiedene Geometrien miteinander verglichen werden. Die erste Gemotrie is eine Blockform, ähnlich zu den Serienkollimatoren im SIS18. Die zweite ist eine Treppenform. Einer der SIS18Prototyp-Kollimatoren war als Keil vorgesehen, der Gedanke hierbei war, dass die desorbierten Gase innerhalb einer Sekundärkammer entstehen, welche von dem Keil abgeschlossen wird und so nicht auf Strahlachse gelangen können. Dieser Effekt wurde jedoch dadurch überwogen, dass die Desorptionsrate bei streifendem Einfall mehrere Größenordnugnen größer ist, als bei senkrechtem Einfall. Daher soll die Treppenform die Vorzüge beider Geometrien verbinden: Senkrechter Einfall und gleichzeitig ein schlechter Vakuum-Leitwert vom Ort der Desorption zur Strahlachse. Erstenwürfe der beiden Geometrien sind in Abbildung 5(a) zu finden. Diese Abbildung zeigt auch den Entwurf der Halterung: Eine Art Spanten, welche in das Strahlrohr gelegt werden können, jedoch mit minimalem Querschnitt, um den Wärmewiderstand zu maximieren. Diese beiden Kollimatoren mit ihrer Halterung sollen in einem Rohrstück montiert werden, welches den Dimensionen des SIS100 Strahlrohres entspricht, siehe Abbildung 5(b). Um die Kammer auf LHe-Temperatur zu kühlen ist ein Röhrchen vorgesehen, welches die Kammer im vorderen Teil umschließt, um dort eine möglichst hohe Saugleistung der Wände zur Verfügung zu stellen. 6 18. Juni 2009 Version 1.0 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver (a) Temperaturverteilung Kollimator heated, support standing on 5 K 700 Frame support with holes, Eps=0 Frame support with holes, Eps=0.05 Frame support with holes, Eps=1 600 Front Temperature in K 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Heating Power in W 7 8 9 10 (b) Temperaturentwicklung Abbildung 4: Temperatur des Kollimators: (a) Nur Wärmeleitung berücksichtigt, (b) verschiedene Heizleistungen und Emissionskoeffzienten Version 1.0 18. Juni 2009 7 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver (a) Kollimatoren mit Halterung (b) Kollimatorkammer (c) Wärmeschild (d) Vakuumkammer Abbildung 5: Konzept für einen Kryo-Kollimator Teststand: (a) Testkollimatoren mit Halterung, (b) Kollimatoren innerhalb eines Strahlrohres mit LHe-Kühlrohren, (c) Kollimatorkammer innerhalb eines Wärmeschildes mit Schlitzen, (d) Wärmeschild mit Kollimatorkammer innerhalb einer großen Vakuumkammer 8 18. Juni 2009 Version 1.0 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver Dieser Aufbau soll dem SIS18-Strahl ausgesetzt werden. Dieser lässt sich jedoch aufgrund des sonst zu großen Temperaturgradienten nicht einfach an ein vorhandenes Strahlrohr anflanschen, vielmehr ist es nötig ihn mit einer Art Abschirmung, einem Kryostaten zu umgeben. Hierbei soll die Idee des Kryo-Panel-Teststandes, welcher am TRIUMF aufgebaut werden soll, aufgegriffen werden. Der Kryo-Panel-Teststand besteht aus einer umgebenden Vakuumkammer, in welcher der Restgasdruck gemessen werden soll, die Sigma-Form des LN2-Bleches ermöglicht es Gasteilchen in das Innere vorzudringen, siehe Abschnitt 2.1. Diese Idee soll für den Kryo-Kollimator-Teststand aufgegriffen werden. Die bereits beschriebene Kollimatorkammer mit LHe-Kühlröhrchen soll in einem Wärmeschild aufgehängt werden, welches Schlitze enthält, die jedoch keinen direkten Sichtkontakt zwischen 4.5 K-Oberflächen und Raumtemperatur-Oberflächen ermöglichen, siehe Abbildung 5(c). Das Wärmeschild wird von einer weitern Kühlleitung auf ∼80 K (LN2) gekühlt. Das Wärmeschild wiederum wird in einer großen Vakuumkammer, mit einem Durchmesser von ∼500 mm - 800 mm montiert, siehe Abbildung 5(d). Bei ausreichender Dimensionierung dieser Kammer ergibt sich so auch die Möglichkeit, das Wärmeschild mit Kollimatorkammer verfahrbar zu gestalten, wodurch man den gewünschten Testkollimator in den Strahl postionieren kann. In der Wand dieser großen Vakuumkammer können herkömmliche Drucksonden, Restgasmonitore und eine Turbopumpe montiert werden. Ein konventioneller Ansatz wäre, einen richtigen Kryostaten zu verwenden. In Abschnitt 1 wurde erwähnt, dass es am TRIUMF einen Kryostaten gibt, welcher zur Zeit nicht verwendet wird, siehe Abbildung 6. Die Abmessungen der kalten Kammer würden die Installation einer Kollimatorkammer mit den gewünschten Abmessungen erlauben. Laut Auskunft von Igor Sekachev wäre es nicht ausgeschlossen, dass man diesen Kryostaten für einige Monate an die GSI ausleiht, wenn sicher gestellt wird, dass er nicht radioaktiv aktiviert wird, da er am TRIUMF noch gebraucht werden wird. Selbst wenn dies nicht sicher gestellt werden kann, so kann er als Vorbild für die Konstruktion eines eigenen Kryostaten dienen. Dazu soll ich in der nächsten Zeit technische Zeichnungen des Kryostaten erhalten. 3 Resumé Die Reise ans TRIUMF in Vancouver, Kanada kann als erfolgreich gewertet werden. Neben zahlreichen Ideen und Konzepten für das Kryo-Kollimator-Projekt wurden Kontakte in Sachen Kryogenik etabliert und eine Kollaboration gebildet. Version 1.0 18. Juni 2009 9 FAIR Synchrotrons Gesellschaft für Schwerionenforschung Planckstr. 1 D-64291 Darmstadt Reisebericht zum TRIUMF/Vancouver Abbildung 6: Russischer Kryostat“, welcher am TRIUMF zum Testen von Solenoid” Magneten für ISAC-II verwendet wurde. 10 18. Juni 2009 Version 1.0
