Die externe Strahlführung für Detektortests X3ED an der Elektronen-Stretcher-Anlage ELSA

Abstract

Um das Verständnis des Aufbaus der Materie zu erweitern sind Experimente mit hochenergetischen Teilchen erforderlich. Diese Teilchenstrahlen werden beispielsweise durch Kreisbeschleuniger bereitgestellt. Aufseiten der Experimente registrieren dann Detektoren möglichst alle bei den Wechselwirkungsprozessen entstandenen Teilchen. Somit lässt sich auf die Struktur der Bausteine der Materie schließen. Zukünftig sollen zum Beispiel die derzeit kleinsten bekannten Bausteine der Materie auf eine etwaige Substruktur hin untersucht werden.<br /> Um diese Experimente durchführen zu können, steigen die Anforderungen an die Detektoren. Daher wird eine stetige Entwicklung von Detektoren mit einer besseren Orts-, Zeit- als auch Energieauflösung in weltweiten Kollaborationen vorangetrieben. Für die Entwicklung dieser Detektoren sind Tests unter kontrollierten Bedingungen – direkte Teilchenstrahlen aus Beschleunigern – ein wichtiges Mittel, um die Funktionalität und Leistungsfähigkeit der Detektoren zu verifizieren.<br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine weltweit einzigartige Strahlführung für Detektortests (X3ED) errichtet. Es wird ein primärer Teilchenstrahl im Gegensatz zu den sonst von Beschleunigeranlagen zur Verfügung gestellten tertiären Teststrahlen angeboten. Bei einer Energie zwischen 0,8 GeV und 3,2 GeV können Elektronen mit Raten im Bereich von 300 Hz bis 400 MHz an die Experimente geliefert werden.<br /> Es sind vier Quadrupolmagnete in der Strahlführung installiert, um eine variable Strahlform am Testplatz zu ermöglichen. Mithilfe von Simulationen wurde untersucht, welche Strahleigenschaften am Testplatz einstellbar sind. Demnach kann der Strahl in beiden Ebenen Breiten im Bereich von ungefähr 1 mm bis 10 mm annehmen. Zur Diagnose sind in den Strahl fahrbare Schirmmonitore zur Bestimmung der Lage des Strahlschwerpunkts und der Strahlbreiten sowie ein Hochfrequenzresonator zur Messung des Strahlstroms installiert.<br /> Es wurde ein Strahlenschutzkonzept erarbeitet, was den Anforderungen der Strahlenschutzverordnung gerecht wird, ohne durch die baulichen Maßnahmen den zukünftigen Testbetrieb einzuschränken oder zu behindern, um die Strahlführung in Betrieb nehmen zu können. Die erforderlichen baulichen Maßnahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit mithilfe eines Programms zur Simulation des Teilchentransports in Materie berechnet und umgesetzt.<br /> Nach der erfolgreichen Abnahme des neuen Experimentierbereichs folgte die Inbetriebnahme und Untersuchungen der Strahleigenschaften. Die Flexibilität des Strahls – sowohl der Teilchenrate als auch der Strahlbreite am Testplatz – konnte unter Beweis gestellt werden. Im Dezember des Jahres 2016 wurde der Teststrahl erstmalig von im Haus ansässigen Arbeitsgruppen im Bereich der Detektorentwicklung genutzt. Seit der Inbetriebnahme konnten schon mehrere Experimente von internen und externen Gruppen erfolgreich durchgeführt werden.<br /> Zukünftig wird die Beschleunigeranlage ELSA verstärkt für Detektortests zur Verfügung stehen und als wertvolle Infrastruktur für das in Bonn entstehende Forschungs- und Technologiezentrum Detektorphysik zum Einsatz kommen. Damit wird die Universität Bonn ein Zentrum für Forschergruppen im Bereich der Detektorentwicklung, die einen weltweit einzigartigen Teststrahl vor Ort nutzen können.

<strong>The External Beamline for Detector Tests X3ED at the Electron Accelerator ELSA</strong><br /> Detectors for high energy particle physics research are constantly developed in worldwide collaborations, aiming to improve both spatial and energy resolution. Detector testing is an important process during the development phase. <br /> A new beamline for detector tests (X3ED) has been commissioned in Bonn. X3ED supplies a primary particle beam which contrasts to the tertiary test beams provided by most accelerator facilities. At ELSA electrons can be extracted to the test area within an energy range of 0.8 GeV to 3.2 GeV and at particle rates from 300 Hz to 400 MHz. <br /> The beam width at the test area in both planes can be altered from 1 mm to 10 mm. <br /> A radiation protection concept was designed to meet the requirements of radiation protection ordinance in the new experimental area. The concept has been succesfully validated using the simulation program FLUKA. <br /> In operation the beamline's requirements concerning particle rates as well as beam widths met the specifications. <br /> In the future the particle accelerator facility ELSA will be increasingly used for detector tests as part of the infrastructure of the Forschungs- und Technologiezentrum Detektorphysik Bonn, providing a worldwide unique test beam on-site.