Schwere Magnete für winzige Teilchen

Am Institut für Kernphysik wird kräftig montiert, geschraubt und justiert: Wissenschaftler und Ingenieure bereiten die verbleibenden 22 von insgesamt 44 Dipolmagneten für ihre Reise nach Darmstadt vor. Das Besondere: Jeder Magnet ist 4,6 Meter lang und bringt fertig montiert 37 Tonnen auf die Waage – hat also das Gewicht eines LKWs. Die Magneten sind für Hochpräzisionsexperimente mit kleinsten Teilchen am Hochenergiespeicherring HESR gedacht.

Den Ring baut das Forschungszentrum unter Federführung des Instituts für Kernphysik (IKP-4) zusammen mit dem Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-1) als Beitrag zum Beschleunigerkomplex FAIR („Facility for Antiproton and Ion Research“) in Darmstadt. Der Ring soll nach seiner Fertigstellung Experimente ermöglichen, die unter anderem das Verständnis der starken Wechselwirkung erweitern sollen – eine der vier Grundkräfte der Physik, die Atomkerne zusammenhält – sowie Einblicke geben in neue, bisher unerforschte Formen der Materie.

Grundriss des HESR. Die roten Elemente sind die Dipolmagnete. An definierten Stellen des Rings werden die Teilchen für Experimente nutzbar sein. Der Ring ist Teil des Beschleunigerkomplexes FAIR in Darmstadt.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Raimund Tölle

Großauftrag

Die umfangreichen Arbeiten für den Ring umfassen den Bau beziehungsweise die Konfiguration aller seiner Bestandteile: Hierzu gehören die Strahlführungen und ihre Komponenten, unterschiedlichen Arten von Magneten, die in sich präzise gebaut und aufeinander genau abgestimmt sein müssen. Dazu gehören ebenfalls Geräte und dazugehörige Software zur „Injektion“ der Teilchen in den Ring, zur Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit, zur Lenkung und zur Diagnose des Strahls innerhalb des Rings, die Vakuumerzeugung und die hochsensible sogenannte stochastische Kühlung. Durch sie werden die Teilchen gewissermaßen diszipliniert, wodurch der Strahldurchmesser deutlich verkleinert werden kann. Dadurch werden präzisere Experimente möglich.
Jülicher Forscher sollen zuletzt auch die „Experiment-Integration“ sicher stellen – also dafür sorgen, dass die Aufbauten der geplanten Experimente fachgerecht in den Beschleuniger eingegliedert werden und seinen späteren Betrieb nicht stören.

Die Hälfte der Dipolmagnete ist fertig

Wer in diesen Wochen einen Blick in die Halle wirft, in der die Magnete für ihre künftige Aufgabe tauglich gemacht werden, ahnt den Umfang dieser Arbeiten, die mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Insgesamt 44 Dipolmagnete der Herstellerfirma SigmaPhi aus Frankreich werden an HESR zum Einsatz kommen, die entlang des 575 Meter langen Rings aufgebaut werden (s. Abbildung oben). Alle sind nun von der Firma nach Jülich ausgeliefert.

Die Dipolmagnete werden nach und nach reisefertig gemacht.
Foto: Forschungszentrum Jülich / Markus Retzlaff

Von oben ist zu sehen, dass die Magnete leicht in sich gekrümmt sind. Foto: Forschungszentrum Jülich / Birgit Pfeiffer

Die Hälfte von ihnen hat das Forschungszentrum nach entsprechender Ausrüstung bereits nach Darmstadt geliefert – jeweils per Schwertransporter mit Ausnahmegenehmigung. Die verbleibenden werden nun in Jülich für ihren wissenschaftlichen Einsatz vorbereitet. Dabei ist nicht nur logistisches Können gefordert, sondern vor allem Präzisionsarbeit.

Was passiert in der Halle?

Damit die Magnete überhaupt aus Frankreich transportiert werden konnten, musste ein jeder in zwei Teile zerlegt werden: den unteren Teil, den blauen sogenannten Tisch mit Unterjoch, der allein schon 21 Tonnen wiegt, sowie das Oberjoch mit weiteren 16 Tonnen. Diese werden in Jülich mit einem Kran übereinander gebracht und verschraubt. In die Mitte wird das Vakuumrohr eingelegt und an beiden Magnet-Enden auf 0,1 mm genau auf die Sollposition gebracht. Damit wird sichergestellt, dass der Ring später präzise geschlossen werden kann und die Teilchen später auf ihrer Flugbahn durch alle Magneten hindurch nicht gestört werden. Für die Justierung nutzen die Jülicher Experten geodätische Methoden: also räumliche Markierungspunkte – in dem Falle kleine Präzisionsspiegel mit magnetischem Kugelfuß – die am Magneten aufgebracht werden und die per Laser räumlich vermessen werden.

Auf die Krümmung kommt es an

Damit der Ring als Ganzes funktionieren kann, müssen die Dipolmagnete so konstruiert sein, dass die geladenen Teilchen, die einmal in nahezu Lichtgeschwindigkeit durch sie hindurchschießen sollen, jeweils um 8,1818 Grad auf ihrer Bahn abgelenkt werden. Das entspricht der Krümmung auf beiden Bogensektionen der rund 575 Meter langen „Teilchen-Rennbahn“, auf welcher die Magnete aufgestellt sind. Die Magneten selbst sind daher entsprechend der Bahn ebenfalls gekrümmt.

Transportverschluss eines Vakuumrohrs an einem in Arbeit befindlichen Dipolmagneten. Foto: Forschungszentrum Jülich / Birgit Pfeiffer

Die Ablenkung innerhalb der Vakuumröhre wird durch ein Magnetfeld realisiert, das rund 100.000 Mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde und das durch Kupferspulen bei einem Maximalstrom von 3.000 Ampere erzeugt wird. Die besondere Herausforderung dabei: In der Röhre, die der Teilchenstrahl durchquert, muss das Magnetfeld extrem konstant sein. Es darf um höchstens ein Zehntausendstel vom vorgegebenen Wert abweichen. Nun ändert sich aber das Magnetfeld im Zuge der Teilchenbeschleunigung – gewissermaßen beim Anfahren des Rings. Im Magneteisen entstehen Wirbelströme, die wiederum das Magnetfeld schwächen. Um hier entgegenzusteuern, haben die Physiker des IKP und die Ingenieure des ZEA-1 das Magneteisen von SigmaPhi aus Lamellen zusammenfügen lassen, die gegeneinander isoliert sind. Damit werden die Wirbelströme reduziert.

Weitere Magnete für unterschiedliche Zwecke

Zwischen den Dipolmagnet-Kolossen auf dem Ring werden Kombinationen kleinerer Magnete verbaut, die unterschiedliche Funktionen haben. 84 Quadrupolmagnete sollen dafür sorgen, jene Teilchen wieder einzufangen, die während ihres Flugs von der idealen Flugbahn ausbrechen. Bei Quadrupolmagneten handelt es sich um Anordnungen von vier magnetischen Polen, bei der sich Nord- und Südpole jeweils gegenüberliegen. Ihre Besonderheit ist, dass sich ihr Magnetfeld genau in der Mitte aufhebt. Zum Rand hin steigt ihr Magnetfeld jedoch innerhalb des Strahlrohrs, in dem sich die Teilchen bewegen linear mit dem Abstand von der Mitte an. So werden abgelenkte Teilchen zurück auf die Flugbahn fokussiert. Jeder dieser Magnete ist 60 Zentimeter lang und „nur“ 5,2 Tonnen schwer.

In Kombination mit den Quadrupolmagneten werden weitere, kleinere Sextupol- und Steeringmagnete (also Steuermagnete) eingesetzt, wo sie benötigt werden. Diese dienen zur Feinkorrektur weiterer Strahleigenschaften. Man könnte sagen, die Sextupole wirken wie die chromatische Korrektur in einem Mikroskop. Insgesamt sind 66 Sextupolmagnete sowie 53 Steering-Magnete vorgesehen. Beide Magnettypen sind etwa 30 Zentimeter lang und 300 Kilogramm schwer. Sie werden vom rumänischen Kooperationspartner ICPE-CA gebaut.

Wenn die Dipolmagnete getestet und für ihre Reise feinjustiert sind, muss noch sichergestellt werden, dass der Kühlwasserkreislauf dicht ist. Hierfür werden die Schläuche für die Kühlung der Magnetspulen mit Wasser gespült. Wie auch im späteren Betrieb wird hierfür ausschließlich vollentsalztes und leitwertüberwachtes Wasser verwendet. Sobald der Magnet an einem Netzgerät betrieben wird – also wenn Strom durch den Magnet geschickt wird -, besteht sonst die Gefahr, dass eine Elektrolysereaktion im Kühlsystem stattfinden könnte. Dabei könnte Knallgas entstehen und austreten – eine explosionsfähige Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff, die Mensch und Anlage gefährden würde. Vor dem Transport der Magnete wird das Wasser wieder aus den Kühlwasserbohrungen der Spulen mit Druckluft ausgeblasen.

Bis der HESR steht, ist noch einiges zu tun. Nach dem gegenwärtigen Zeitplan soll das Gebäude, in dem der Beschleunigerring untergebracht werden soll, 2020 entstehen. In der Zwischenzeit werden die Magnete in Darmstadt fachgerecht zwischengelagert.

HESR für Einsteiger (Website des IKP)
Institut für Kernphysik (IKP-4): Kernphysikalische Großgeräte
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-1)
Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)