Forschung

Digitale Regelungen zur Strahlstabilisierung

Quelle: www.gsi.de
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Ein zentrales Ziel der Grundlagenforschung ist die Erforschung fundamentaler Kräfte in Materie. Einige dieser Kräfte können unmittelbar untersucht werden. Andere erfordern extreme Bedingungen, wie sie im Inneren von Sternen, oder noch größeren Objekten im Universum auftreten.

Extreme Bedingungen lassen sich gezielt in Teilchenbeschleunigern erzeugen. Geladene Teilchen (Materie) werden auf hohe Energien beschleunigt und wechselwirken in Kollisionsexperimenten miteinander. So können allerkleinste Strukturen (Atomkern und kleiner) untersucht werden. Je höher die Energie der Kollisionspartner in einem Experiment, desto feiner lassen sich die Strukturen auflösen.

Immer leistungsfähigere Teilchenbeschleuniger gewähren dabei fortwährend tiefere Einblicke in die Struktur der Materie und in den Entstehungsprozess des Universums

Die GSI betreibt einen Teilchenbeschleuniger, in dem verschiedenste geladene chemische Elemente (Ionen) verwendet werden können.

Die Forschungsbereiche erstrecken sich von der Grundlagenforschung in den Bereichen Kern-, Teilchen-, Atom- und Plasmaphysik, über biophysikalische und medizinische Themengebiete, bis hin zur Materialforschung und Beschleunigertechnik.

Momentan wird die Anlage umgebaut, um Experimente mit noch höheren Teilchenenergien (Faktor 10) zu ermöglichen. Herzstücke zum Erreichen dieser hohen Energien sind der bereits existierende Ringbeschleuniger „SIS 18“ und der im Bau befindliche Ringbeschleuniger „SIS 100“.

Quelle: www.gsi.de
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In solchen Synchrotrons werden Ionen durch hochfrequente elektrische Wechselfelder beschleunigt. Synchron dazu müssen Magnetfelder, die die Teilchen auf einer Sollbahn im Hochvakuum halten, angepasst werden. Impulsunterschiede, die die Ionen bereits bei der Injektion aus einem Linearbeschleuniger aufweisen, führen dazu, dass die Teilchen in transversaler Richtung um diese Sollbahn und in longitudinaler Richtung um eine Sollposition oszillieren.

Außerdem sind die Bauteile eines Beschleunigers nicht ideal und unterliegen immer gewissen Störungen. Rauschen und Fehler in den elektrischen Wechselfeldern und Magnetfeldern, Wechselwirkungen zwischen den Ionen und den Beschleunigungskavitäten, sowie Wechselwirkungen der geladenen Teilchen untereinander können kohärente Schwingungen der Ionen in longitudinaler Richtung anregen. Dies verschlechtert die Stahlqualität und führt im schlimmsten Fall zu Teilchenverlust. Regelungen sollen dies verhindern.

Grundsätzlich wird die Position und Amplitude eines Teilchenpaketes gegenüber einer Referenzspannung erfasst. Eine Regelung muss dann in sehr kurzer Zeit (wenige µs) aus dem Verlauf der Position und Amplitude Stellgrößen berechnen. Änderungen der Streckenparameter während der Beschleunigung erfordern eine zusätzliche Anpassung der Regelparameter. Da die Bestimmung der Position und Amplitude nicht exakt ist, muss der Regler auch robust ausgelegt werden.

Ein kurzes FIR-Filter (finite impulse response filter) hat sich bereits als sehr leistungsfähig herausgestellt. Die Rechenkapazität des Regelungssystems ist damit allerdings noch nicht erschöpft. Dies ermöglicht den Entwurf neuer Regelungskonzepte, wobei hier stets die hardwareseitigen Beschränkungen der Beschleunigeranlage berücksichtigt werden sollen.

Ziel meiner Arbeit ist mittels einer Vielteilchensimulation die longitudinalen Strahloszillationen zu modellieren. Im zweiten Schritt sollen Regelungskonzepte auf Basis dieser Simulation auf ihre Effizienz und Robustheit hin überprüft werden.

Weiterführende Quellen:
www.gsi.de
www.fair-center.de
www.cern.ch

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