Ausbauen – Umbauen – Einbauen

Wie ich schon in einem früheren Beitrag geschrieben hatte, kann man Detektoren nicht einfach kaufen. Da zusätzlich die Experimente auf immer neue Fragestellungen ausgerichtet werden, sind auch die entsprechenden Messaufbauten einer kontinuierlichen Veränderung unterworfen. Gerade bei Experimenten, die am umlaufenden Strahl eines Speicherrings durchgeführt werden, bedarf es dazu einer langfristigen Planung, da nur während der (relativ kurzen) Abschalt- und Wartungsphasen ein Zugang zu den Geräten besteht.

Seit meinem letzten Artikel ist ja nun schon etwas Zeit vergangen. Außer der Ferienzeit stand auch die letzte Um- und Aufbauphase für das nächste Experiment im November an: Innerhalb des letzten Jahres haben wir den WASA Detektor so umgebaut, dass er nun für unsere geplanten Polarisationsmessungen optimal geeignet ist. Darüber möchte ich nun in diesem – etwas längeren – Beitrag berichten.

WASA Detektor 2006-2015 (Bild: A.Kupsc / WASA Kollaboration)

Oben sieht man eine Abbildung des WASA Detektors. Die linke Hälfte des Bildes nimmt der Zentraldetektor ein, der um den Wechselwirkungspunkt herum gebaut ist, in dem der COSY Strahl auf das sogenannte Target trifft und von dem aus die erzeugten Teilchen ausgehen. Er besteht aus zwei Hälften einer Hohlkugel aus Eisen mit einem Durchmesser von etwa 1.5 m (im Bild unter den vielen Kabeln in rot zu sehen). Der Innenraum der Kugel ist mit einer zylinderförmigen Drahtkammer (umgeben von dünnen Plastikszintillatoren), einer supraleitenden Magnetspule und einem elektromagnetischen Kalorimeter gefüllt. Letzteres besteht aus einer Schale von 1012 20-30 cm langen CsI Kristallen, die direkt an der Innenseite der Eisenhülle angebracht sind. Die Eisenkugel dient als Rückführjoch für das von der Spule erzeugte Magnetfeld und verhindert, dass dieses außerhalb davon zu spüren ist. Das ist u.a. wichtig, da die Photomultiplier (d.h. die Photosensoren) sehr empfindlich gegenüber einem Magnetfeld sind. Daher hat die Eisenhülle auch eher die Ähnlichkeit mit einem schweizer Käse: die außen liegenden Photosensoren sind über Plexiglas-Lichtleiter mit den Kristallen im Innern verbunden. Jeder der etwa 1200 Photosensoren (für Kalorimeter und Plastikszintillatoren) muss ausgelesen und mit Hochspannung versorgt werden – daher auch die vielen Kabel, die den Blick auf den Detektor verdecken und die zur Ausleseelektronik außerhalb des COSY Tunnels führen. Der gesamte Zentraldetektor wiegt ca. 5 Tonnen. Die beiden Hälften stehen auf Schienen und können auseinander gefahren werden. Dazu kommt der Vorwärtsdetektor (rechts im Bild), der nochmal aus über 300 Plastikszintillatoren besteht. Unterschlagen habe ich die Auslese der Drahtkammern im Zentral- und im Vorwärtsdetektor, die insgesamt etwa 3700 (in 16er Gruppen zusammengefasste) Auslesekanäle haben.

Doch warum erzähle ich das alles? Ganz einfach: da wir auch den Aufbau um den Wechselwirkungspunkt umbauen mussten, war es nötig, den kompletten Detektor abzubauen und anschließend ohne Zentraldetektor wieder aufzubauen.

Innenleben des Zentraldetektors (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Links sieht man ein Foto des Innenlebens des Zentraldetektors aus der Zeit des Aufbaus. Im Hintergrund sitzt eine Halbschale des Kalorimeters, welches die supraleitende Spule umgibt. Das Rohr, das nach schräg links oben wegführt, enthält die elektrischen Zuleitungen für die Spule als auch die Versorgungsleitungen für das flüssige Helium, das die Spule auf 4 Kelvin (-269 °C) abkühlt. Im Innern der Spule befindet sich noch eine Drahtkammer, die an dem Konus, der rechts zu sehen ist, befestigt ist. Daher lässt sich dieser auch nur nach rechts herausfahren. In dieser Richtung stehen aber normalerweise die Detektoren des Vorwärtsdetektors – und deswegen mussten diese als erste weg.

Vorwärtsdetektor mit Pellettarget-Generator (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Hier noch ein Bild des Vorwärtsdetektors (im Vordergrund) und des Targetaufbaus (oben – dazu komme ich gleich noch) ebenfalls aus der Zeit des Aufbaus. Ich zeige hier deswegen die etwas älteren Bilder, da hier noch keinerlei Kabel verlegt waren und auch die Kabeltrassen noch nicht angebaut waren – der Blick auf den Detektor war daher noch frei.

Der Vorwärtsdetektor besteht aus mehreren Lagen. Die massiveren Detektorelemente (die, in denen die Teilchen zur Energiemessung gestoppt werden) bestehen aus zwei Hälften links und rechts des Strahlrohres und können – nachdem alle Kabel entfernt sind – einfach auseinandergeschoben und mit dem Kran aus dem COSY Tunnel gehoben werden (links unten im nachfolgenden Bild). Die dünneren Lagen bestehen aus Einzelelementen, die individuell ausgebaut werden müssen. Anhand des Bildes unten möchte ich bei der Gelegenheit auch eine interessante Detektorgeometrie erwähnen: Eine Detektorlage (das sogenannte Triggerhodoskop) besteht aus drei Ebenen, zwei mit gegenläufig gekrümmten Elementen – sogenannten archimedischen Spiralen – und eine mit strahlförmig nach außen gerichteten, tortenstückähnlichen Elementen. Ein Tripel aus einem Element aus jeder Ebene hat hier genau einen Schnittpunkt – so kann der Auftreffpunkt eines Teilchens sehr schnell und einfach bestimmt werden.

Elemente des Vorwärtsdetektors (Bilder: VH / Forschungszentrum Jülich)

Blick auf das Vakuumfenster (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Zusätzlich zu den Plastikszintillatoren müssen auch noch die 4 Lagen unserer Vorwärtsdrahtkammer ausgebaut werden (näheres dazu beim Wiedereinbau). Danach hat man freien Blick auf das Vakuumfenster am Vorwärtskonus. An dieser Stelle kann nun auch das Strahlrohr und das Vakuumfenster entfernt und der Konus mit Drahtkammer nach vorne rausgezogen werden. Für letzteres bedarf es allerdings auch noch des Einbaus eines speziellen Tisches mit Halte- und Schienensystem, da alles präzise parallel zur supraleitenden Spule aus der Halterung gefahren werden muss. Schließlich müssen alle Kompenenten intakt bleiben und später in identischer Position wieder eingebaut werden.

Blick auf die Verkabelung von Pellettarget und supraleitendem Magneten (Bild: VH / Forschungszentrum Jülich)

Als nächstes muss der komplette Zentraldetektor entfernt werden. Das geht nur nachdem auch der Pelletgenerator darüber verschwunden ist. Dieser Generator hat Wasserstoff- bzw. Deuteriumgas zunächst abgekühlt und verflüssigt um dann mittels einer vibrierenden Düse kleine Tröpfchen zu erzeugen – wie bei einem tropfenden Wasserhahn. „Klein“ bedeutet hier 20-25 µm, was gerade mal dem Durchmesser eines sehr dünnen Haares entspricht. Diese Tröpfchen gefrieren, wenn sie ins Vakuum kommen und fliegen dann mit etwa 100 m/s von oben nach unten durch den COSY Strahl. Bis auf die Kabel kann die Generator glücklicherweise als Ganzes abgenommen werden. Um davon einen Eindruck zu bekommen zeigt rechts ein Bild die Situation während des Abbaus. Jedes einzelne Kabel bedient eine Funktion des Generators oder der supraleitenden Spule bzw. führt zu einem Sensor.

Ist dann oben alles frei, kann das Kalorimeter und die supraleitende Spule in Angriff genommen werden. Das Bild unten zeigt ein Blick von hinten ins offene Kalorimeter. Links erkennt man im Ansatz den Magneten, rechts die eine Hälfte des Kalorimeters. Zusätzlich gibt es noch eine hintere Endkappe, deren einen Hälfte im kleinen Bild am Kran hängt.

Geöffneter Zentraldetektor (Bild: VH / Forschungszentrum Jülich)

Magnetspule (links) und Kalorimeterhalbschale (rechts) am Kran (Bild: VH / Forschungszentrum)

Die supraleitende Spule kann nun zusammen mit dem Vorratsbehälter für das flüssige Helium in eine Haltestruktur und nach oben rausgehoben werden (siehe das Bild ganz links). Damit bleiben „nur“ noch die beiden (je 2.5 Tonnen schweren) Halbschalen und das Schienensystem im Tunnel. Auch die Halbschalen werden nun mit Hilfe eines speziellen Tragesystems an den Kran gehängt und auf einem zweiten Satz Schienen außerhalb des Tunnels abgestellt.

WASA Experimentierplatz nach dem Ausbau (Bild: VH / Forschungszentrum)

Damit ist der Platz, an dem vorher der WASA Detektor stand, mehr oder weniger leer. Rechts ist ein Blick von oben auf den (noch etwas unaufgeräumten) Experimentierplatz zu sehen. Oben am Rand sieht man den Tisch zum Ein- und Ausbau des Vorwärtskonus. Dieser wartet nun darauf, dass der modifizierte Konus aus der Zentralwerkstatt zurückkommt. Dort wird nämlich in der Zwischenzeit die zylinderförmige Drahtkammer (Bild unten, links) an der ursprünglichen Schweißnaht aufgetrennt und abgenommen (rechts), so dass stattdessen ein Balg zur Verbindung mit dem neuen Targetaufbau angeschweißt werden kann.

Der Konus wird in der Zentralwerkstatt bearbeitet (Bild: VH / Forschungszentrum)

Nun kann der Einbau in umgekehrter Reihenfolge beginnen. Der ehemalige Zentraldetektor und der Pellettargetgenerator bleiben allerdings draußen, da diese nicht mehr benötigt werden.

Wiedereinbau des Konus und der neuen Targetkammer (Bilder: VH / Forschungszentrum)

Auf der linken Seite sieht man oben den eingebauten Konus nachdem die Haltevorrichtung des Tisches entfernt wurde. Das Vakuumfenster ist noch nicht montiert und so hat man eine freie Sicht in den Konus. An den Flanschen an der Seite werden später noch Vakuumpumpen und Drucksensoren angebracht. Auf der rechten Seite ist oben der Konus mit der neu gebauten Haltevorrichtung für die neue Targetkammer zu sehen und unten der fertige Aufbau. Die neuen Komponenten wurden so eingemessen, dass ihre Achse auf 0,1 bis 0,2 mm genau auf Sollachse des COSY Strahls liegt. An die Seitenflansche wird im Herbst eine Targetinstallation angebaut, die es erlaubt dünne Streifen eines Kohlenstofftargets (Diamant) bzw. eine Polyethylentargets in den COSY Strahl zu fahren.

Vorwärtsdrahtkammer (Bild: VH / Forschungszentrum)

Nun werden auch die einzelnen Detektoren des Vorwärtsdetektors wieder eingebaut. Rechts sieht man ein Element der Vorwärtsdrahtkammer. Dieses besteht aus zwei Doppellagen sogenannter Strawtubes (also Strohhalme), die jeweils einen Durchmesser von 8mm und im Zentrum einen Signaldraht haben. Sie werden mit Gas gefüllt und ein durchfliegendes Teilchen erzeugt bei angelegter Hochspannung dann ein Signal. Insgesamt gibt es 4 solcher Ebenen: horizontal, vertikal und um +45° und -45° verdreht. Dadurch lässt sich die Spur eines Teilchendurchgangs sehr genau rekonstruieren. Zwischen Drahtkammer und Vakuumfenster fehlt in diesem Bild noch der sogenannte Windowcounter – zwei Lagen eines dünnen Plastikszintillators mit jeweils 24 Elementen in Tortenstück-Geometrie. Im Vordergrund sieht man einen Eisenring, an den im nächsten Schritt eine Ebene des Triggerhodoskops montiert wird. Auf die archimedischen Spiralen haben wir verzichtet, da sie für die zu bearbeitenden Fragestellungen nicht benötigt werden.

Triggerhodoskop (Bilder: VH / Forschungszentrum)

Links sieht man das zum Teil bzw. ganz aufgebaute Triggerhodoskop. Unten im Bild ist auch der Sockel für den Eisenring und eine Plattform für die dickeren Lagen des Vorwärtsdetektors zu erkennen. Auch diese Komponenten waren während des Umbaus ausgebaut. Damit fehlen noch die fünf dicken Lagen des sogenannten Rangehodoskop (übersetzt also Reichweitendetektor). Mit diesem misst man den Energieverlust der Teilchen in den einzelnen Lagen und wie weit sie den Detektor durchdringen. Mit Hilfe dieser Information kann man sowohl bestimmen um welche Teilchensorte es sich handelt als auch welche Energie diese ursprünglich hatten.

Rangehodoskop (Bild: VH / Forschungszentrum)

Rechts ist ein Bild des kompletten Vorwärtsdetektors zu sehen. Auch die Signal- und Hochspannungskabel sind wieder verbunden. Ein abschließender Test aller Detektoren, der Ausleseelektronik und der Datenaufnahme hat dann in den letzten Tagen noch ergeben, dass keiner der Detektoren beim Aus- oder Einbau Schaden genommen hat. Damit ist für das im November stattfindende erste Experiment mit dem neuen Aufbau (fast) alles vorbereitet. Ganz am Ende des Artikels findet sich noch einmal ein Gesamtbild aus einer etwas anderen Perspektive.

Ein solcher Umbau lässt sich natürlich nur planen und durchführen, wenn man sich auf die Unterstützung von vielen Gruppen verlassen kann. Das sind neben den beteiligten Kollaborationen (WASA-at-COSY und JEDI) vor allem die Kollegen aus der Konstruktion, den Werkstätten (lokal und zentral) und – besonders wichtig – von COSY.

Apropos COSY: Hier möchte ich bei dieser Gelegenheit auch auf eine aktuelle Pressemitteilung des Forschungszentrums verweisen, in der es um ein neues Konzept für eine effiziente Stromversorgung für COSY geht.

Wie immer gilt: Fragen und Anmerkungn über das Formular unten sind immer herzlich willkommen. Und auch zu Weiterempfehlungen sage ich natürlich nicht nein.

Gesamtüberblick über den neuen Aufbau am WASA Experimentierplatz (Bild: VH / Forschungszentrum)