Wien Filter – Die Fortsetzung

Da wir nun alle wissen, was ein Wien Filter ist, möchte ich etwas genauer auf „unseren“ Wien-Filter eingehen, kurz die Idee dahinter beschreiben und auch ein paar Bilder vom Einbau zeigen. Zur Zeit wird er gerade in Betrieb genommen und sein Einfluss auf den umlaufenden COSY-Strahl untersucht.Wie beim letzten Mal beschrieben, besteht so ein Wien Filter aus einem magnetischen und einem elektrischen Feld, deren Feldstärken so gewählt sind, dass sich die Gesamtkraft – die sogenannte Lorentzkraft – bei einem geladenen Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufhebt. Normalerweise werden diese Felder durch zwei getrennte Installationen erzeugt: zwei Platten, an denen eine entgegengesetzte Spannung angelegt wird, erzeugen ein elektrisches Feld und zwei Spulen ein Magnetfeld, das senkrecht dazu steht. Hier gibt es zwei Probleme:

1. Damit die beiden Felder genau senkrecht aufeinander stehen, müssen Platten und Spulen sehr genau gegeneinander ausgerichtet sein.
2. Damit sich die Kräfte kompensieren, müssen auch die Stärken der Felder, d.h. die Spannung an den Platten und der Strom durch die Spulen genau aufeinander abgestimmt sein.

Einen solchen konventionellen Wien-Filter hatten wir schon im Laufe der letzten Jahre eingebaut und getestet. Der aktuelle Wien-Filter basiert aber auf einem anderen Konzept.

Wenn man eine typische elektromagnetische Welle betrachtet (also z.B. Licht oder eine Radiowelle), dann hat diese Welle von Haus aus die Eigenschaft, dass sie aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern besteht, die genau senkrecht aufeinander stehen. Das machen wir uns zunutze: wir nutzen zwei parallele Platten als Wellenleiter und legen an der eine Seite eine oszillierende, elektrische Spannung an, die sich entlang der Platten ausbreitet. Dabei entsteht auch eine magnetische Feldkomponente, die senkrecht zum Magnetfeld ausgerichtet ist. Die relativen Stärken der Felder kann man über die Wahl des Abschlusswiderstandes am anderen Ende des Wien-Filters einstellen. Zusätzlich kann man die Gleichförmigkeit der Felder zueinander noch über den Einbau von Ferritkernen (also im wesentlichen Eisen) und der Form der Platten einstellen.

Das Innenleben des Wien Filters (ohne Ferritkerne). Foto: JEDI Kollaboration / Forschungszentrum Jülich

Das linke Bild zeigt die beiden Platten links und rechts der Mittelachse. Im Hintergrund sind dir vier Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse zu sehen. Die spezielle Form der „Nasen“ der Platten, die im Vordergrund zu sehen sind, ergab sich aus Simulationen zur Optimierung der Geometrie der elektrischen und magnetischen Felder.

Dieses Konzept eines RF Wien-Filters hat aber auch einen (kleinen) Nachteil: die elektrische Leistung, die aufgebracht werden muss ist im Vergleich zu einem konventionellen Design relativ hoch. Die Netzteile, die wir im Einsatz haben, haben eine Gesamtleistung von 4 kW!

RF Wien-Filter von außen – auf den ersten Blick relativ unspektakulär. (Foto: VH / Forschungszentrum Jülich)

Das rechte Bild zeigt nun den kompletten Wien-Filter von außen. Im wesentlichen sieht man einen großen Stahlzylinder, in dem der eigentlich Wien-Filter untergebracht ist. Am vorderen und hinteren Ende befinden sich Standardflansche, damit das Gerät als Ganzes in den COSY-Ring eingesetzt werden kann. Im vorderen Drittel sieht man noch einen Ring mit einem weißen Zahnriemen, der durch einen Schrittmoter unter dem Zylinder angesteuert wird. Dieser ist notwendig, da wir den Wien-Filter in zwei Orientierungen benutzen wollen: einmal mit den Platten vertikal und einmal horizontal. Zusätzlich müssen wir auch in der Lage sein, die Ausrichtung des Wien-Filter auf die stabile, vertikale Spinausrichtung (dazu vielleicht ein anderes Mal mehr) im Beschleuniger abzugleichen. Diese Beweglichkeit macht das Ganze nicht einfacher: Da COSY auf ein gutes Vakuum im gesamten Ring angewiesen ist, müssen auch u.a. die rotierbaren Flansche darauf ausgelegt sein.

Ein weiterer Punkt, auf den man achten muss, ist die Position des Teilchenstrahls im Wien-Filter. Die Berechnungen der elektrischen und magnetischen Felder sind so ausgelegt, dass auf der Mittelachse des Wien-Filter die besten Bedingungen herrschen. Dort sollte sich natürlich dann auch der Strahl befinden. Für diesen Zweck ist an den beiden Flanschen jeweils eine sogenannte Rogowski-Spule eingebaut, die in vier Segmente unterteilt ist. Je nachdem, an der welcher Stelle der Strahl die Spule passiert, ändert sich das Verhältnis der gemessenen Ströme. So kann der Durchgangsort bestimmt werden. Auch dazu wird in einem späteren Artikel noch mehr kommen. Die Messergebnisse dieser Spulen werden kontinuierlich an die COSY-Steuerung übermittelt, die bei Bedarf den Orbit des Strahls (also die Bahn, die der Strahl nimmt) so korrigiert, dass er auf der Mittelachse bleibt.

Auch das Verhältnis zwischen der Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes muss überwacht werden. Die resultierende Kraft beider Felder auf den Strahl soll ja genau Null sein. Ist das nicht der Fall, wird das – da es sich um oszillierende Felder handelt – den Strahl in Schwingungen um die Sollbahn versetzen. Auch das wird gemessen – an einer anderen Stelle im COSY-Ring – und von der Steuerelektronik des Wien-Filter kompensiert.

All das soll wenigstens so funktionieren, wenn der Wien-Filter in Betrieb ist. In den letzten Wochen wurde er eingebaut – dazu unten eine Fotoreihe. Im Moment startet gerade die Strahlzeit, während der der Wien-Filter zum ersten Mal in Betrieb genommen wird. Dabei sollen u.a. die beiden Steuerkreise zur Kontrolle des Orbits und der Feldstärken getestet werden. Andere Komponenten sind dann im Fokus der nächsten Strahlzeit, die für September angesetzt ist. Dann geht es hauptsächlich darum, die Polarisation des Strahls zu kontrollieren, die Frequenz der Felder des Wien-Filters daran anzupassen und die ersten Effekte auf die Strahlpolarisation zu messen.

Platz zwischen zwei Quadropol-Magneten in einer geraden Sektion von COSY. Hier soll der Wien-Filter eingebaut werden. Davor stand dort das PAX-Experiment. (Foto: VH / Forschungszentrum Jülich)

Der Wien-Filter am Kran. (Foto: VH / Forschungszentrum Jülich)

Zumindest haben wir uns in der Länge des Wien-Filters nicht vertan: er passt genauso wie er soll. (Foto: VH / Forschungszentrum Jülich)

Der Wien-Filter fertig eingebaut und (fast komplett) verschraubt. Die erste Strahlzeit kann kommen. (Foto: VH / Forschungszentrum Jülich)