Aufbau der Beschleunigeranlage
Die Elektronen-Stretcher-Anlage ELSA wird von der Universität Bonn im Land Nordrhein-Westfalen betrieben. Sie besteht aus drei Stufen (Injektor-LINAC, Booster-Synchrotron und Stretcher-Ring) und liefert einen Strahl polarisierter oder unpolarisierter Elektronen mit variabler Energie von maximal 3,2 GeV. Für das Hauptforschungsgebiet, die Hadronenphysik, können Ströme bis zu 1 nA extrahiert und zu den Experimentierplätzen CB-ELSA und BGOOD transferiert werden.
Außerdem existiert eine zweite Elektronenextraktion zu einem Messplatz, an dem Detektoren für Hochenergieexperimente im direkten Elektronenstrahl getestet werden. Üblicherweise werden dort Ströme im Bereich von Femtoampere extrahiert. Maximal können Ströme bis 100 pA extrahiert werden
Die Quelle für spinpolarisierte Elektronen
Im Februar 2000 wurde die Quelle (50 keV) für polarisierte Elektronenstrahlen an ELSA in Betrieb genommen. Durch Einsatz eines Be-InGaAs/Be-AlGaAs Superlattice Kristalls in der Quelle können Pulsströme von 100 mA mit exzellenter Pulsstabilität bei hoher Polarisation erreicht werden. Aufgrund der hohen Transfereffizienz von der Quelle zum Linearbeschleuniger (> 95 %) werden Ströme von bis zu 1 nA an den Hadronenphysikexperimenten erreicht.
Der Linearbeschleuniger
Der Linearbeschleuniger ist mit je einer Quelle (Energie 50 keV) für polarisierte und unpolarisierte Elektronen ausgerüstet. Im Linearbeschleuniger werden die Elektronen auf eine Energie von 26 MeV beschleunigt und dann durch eine Strahlführung zum Booster-Synchrotron transferiert.
Das Booster-Synchrotron
Die im Linac auf ca. 26 MeV beschleunigten Elektronen werden durch einen Transferkanal zum Booster-Synchrotron geführt und dort injiziert. Im Booster-Synchrotron werden die Elektronen dann auf eine maximale Energie von 1,6 GeV beschleunigt und danach in den Stretcherring transferiert. Das Booster-Snchrotron läuft mit einer festen Wiederholrate von 50 Hz. Üblicherweise erfolgt die Extraktion bei einer Energie von 1,2 GeV.
Der Stretcherring
Der Stretcherring kann in drei verschiedenen Modi betrieben werden:
- Der Nachbeschleuniger-Modus kann Elektronen mit einer Energie von bis zu 3,2 GeV liefern. Der Transfer vom Synchrotron zum Stretcherring erfolgt normalerweise bei 1,2 GeV. Da während der Rampzeit kein Strahl an die Experimente geliefert werden kann, werden vor jeder Energierampe mehrere Injektionen aus dem Synchrotron in ELSA akkumuliert, um das Tastverhältnis zu erhöhen. Die Extraktionszeiten betragen typischerweise 4 – 8 s.
- Im Speicher-Modus wird ELSA als Speicherring verwendet. Typischerweise werden Speicherzeiten von einigen Stunden bei Energien von 1,6 bis 3,0 GeV erreicht. Dieser Modus wird hauptsächlich für Maschinenuntersuchungen verwendet.
- Bis zu max. 1,6 GeV kann der ursprüngliche Stretcher-Modus verwendet werden. Die Extraktionsenergie ist in diesem Modus identisch mit der Transferenergie. Es wird bei jedem Zyklus des Synchrotrons nach ELSA injiziert. Anschließend werden die Elektronen über 20 ms extrahiert, während im Booster-Synhrotron schon der nächste Beschleunigungszyklus läuft. Auf diese Weise lässt sich ein makroskop. Tastverhältnis von nahezu 100 % erreichen.
Im Nachbeschleuniger- und Stretcher-Modus erfolgt die Extraktion der Elektronen mittels langsamer Extraktion an einer horizontalen Betatronresonanz. Dazu wird der horizontale Arbeitspunkt mit Hilfe von 4 Luftquadrupolen in Richtung der 4 2/3 Betatronresonanz verschoben.
Externe Strahlführungen / Extraktion
Der Stretcherring verfügt über 2 Extraktionspunkte für Elektronen:
Bei den Magneten M22/23 befindet sich die Extraktion zu den beiden Hadronenphysik-Experimenten:
- Crystral Barrel und Taps
Diese Kollaboration untersucht die Photoproduktion von Meson-Resonanzen (Suche nach fehlenden Resonanzen, Untersuchung der Zerfallsmoden bekannter Resonanzen, Untersuchung weniger etablierter Resonanzen). Die Resultate sollen beim Verständnis der QCD bei niedrigen Energien helfen. Die Messungen erfolgen mit polarisiertem Target und (zirkular oder linear) polarisiertem Photonenstrahl. - BGOOD
Diese Kollaboration untersucht die Photoproduktion von Mesonen an Nukleonen. Die Hauptbestandteile des Detektorsystems sind der BGO-Ball-Detektor (bestehend aus 480 Einzelmodulen, 11,3 sr Akzeptanz), ein Dipol-Magnet mit großem Öffnungswinkel (horizontal 12°, vertical 8°) in Vorwärtsrichtung zur Impulsseparation und daran anschließend acht Driftkammern und vier Flugzeitdetektoren zur Spurrekonstruktion.
Bei den Magneten M7/8 befindet sich die Extraktion zum Messplatz für Detektortests und Medizinphysik:
- Detektortests
Der Elektronenstrahl mit einer Energie von max. 3,2 GeV wird zu diesem Messplatz extrahiert und kann dort zur Charakterisierung von neuen Teilchendetektoren genutzt werden. Die Intensität des extrahierten Elektronenstroms kann in einem weiten Bereich von Attoampere (entspricht einer Elektronenrate von wenigen kHz) bis 100 Picoampere präzise variiert werden.
- Medizinphysik
Außerdem werden an diesem Messplatz Untersuchungen zur Bestrahlung von Krebszellen mit Energiedosen von bis zu 50 Gy mit ultrahochenergetischen Elektronen (UHEE) und Pulsdauern im Bereich von Microsekunden bis Millisekunden (FLASH) durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen werden die Elektronen nach der Extraktion aus dem Booster-Synchrotron nicht gespeichert, sondern durchlaufen den RIng nur bis zum Extraktionspunkt. Dadurch können Pulse erzeugt werden deren Länge durch die Umlaufzeit im Booster-Synchrotron gegeben ist.
