Design und Optimierung von Elektrodenstrukturen zur Strahllagebestimmung

Finite Integration mit nichtorthogonalen Gittern

Arbeitsgruppe: Diskretisierungsmethoden und HF

Forschungsprojekte:

  • Simulation von Beschleunigerkavitäten aus dem TESLA-Projekt
  • Analyse und Optimierung von Strahllagemonitoren
  • Simulation von Mikrowellenbauteilen im Zusammenhang mit EPR-Spektroskopie

Forschungsprojekt: Simulation von Beschleunigerkavitäten aus dem TESLA-Projekt

Im Projekt TESLA („T era E lectronVolt Energy Superconducting Linear Accelerator“), einem internationalen Projekt der Grundlagenforschung unter Leitung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), sollen neunzellige supraleitende Kavitäten zur Beschleunigung von Elektronen- und Protonenstrahlen verwendet werden. Aufgrund der großen Gesamtzahl von über 19.000 solcher Resonatoren ist eine genaue Fertigung nicht zuletzt aus Kostengründen unerläßlich. Die dazu erforderlichen Toleranzen (im Bild übertrieben dargestellt) können durch Feldsimulationen gewonnen werden.

Dabei spielt nicht nur der eigentliche Beschleunigungsmode (bei 1.3 GHz), sondern auch sogenannte Higher Order Modes (HOM) eine große Rolle, die vom Strahl angeregt werden und die Strahldynamik nachfolgender Teilchenpakete empfindlich stören können. Zur quantitativen Einschätzung dieses Verhaltens werden unterstützend zu Messungen die externen Güten solcher HOMs (Abbildung: Dipolmode in einer dreizelligen Struktur) durch Feldsimulationen ermittelt.

Schwerpunkte der Forschung bei TEMF ist die hochgenaue Bestimmung der Resonanzfrequenzen, der (externen) Güten und der Feldverteilung der einzelnen Moden, was eine genaue Diskretisierung mit fortgeschrittenen Modellierungstechniken voraussetzt.

Veröffentlichungen zum Thema:

Forschungsprojekt: Analyse und Optimierung von Strahllagemonitoren

Physikalische Experimente, die in einem Teilchenbeschleuniger durchgeführt werden, erforden eine genügend hohe Strahlqualität. Um diese zu erreichen wird der Strahl „gekühlt“, was eine Reduzierung des vom Strahl besetzten Phasenraumes bedeutet. Am Experimentierspeicherring (ESR) der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) wird dazu das Prinzip der stochastischen Strahlkühlung benutzt. Dazu sind Detektoren und Ablenkungseinheiten -sogenannte Pickup- bzw. Kickerelektroden- notwendig, die mit dem Teilchenstrahl geeignet wechselwirken.

Ziel des Forschungsprojektes ist es zunächst, die am Speicherring der GSI bereits bestehenden Strukturen zu untersuchen (Abbildung: simulierte Stromverteilung auf einer der Elektroden). Darauf aufbauend sind diese so zu optimieren, daß eine maximale Wechselwirkung von Pickup- bzw. Kickerelektrode und Strahl stattfindet, um ein möglichst gutes Kühlergebnis zu erreichen.

Forschungsprojekt: Simulation von Mikrowellenbauteilen im Zusammenhang mit EPR-Spektroskopie

Die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) ist ein seit mehreren Jahren erfolgreich angewandtes Meßverfahren, u.a. zur Untersuchung der Mikrostrukturen von Molekülen. Eine der federführenden Institute auf dem Gebiet der Weiterentwicklung von ESR-Techniken ist die EPR-Gruppe am Institut für Physikalische Chemie an der ETH Zürich. In Zusammenarbeit mit TEMF werden dort neue Mikrowellenbauteile zum Einsatz in der ESR erprobt, insbeondere verschiedene Resonatortypen und Kopplungselemente zur Applikation der MW-Signale auf die Materialproben. Entscheidende Zielgrößen für die Feldsimulationen sind neben der Resonanzfrequenz der Bauteile ihre Transmission und in diesem Zusammenhang die externen Gütefaktoren.

Zur Modellierung der teilweise zylinderförmigen Resonatoren wurde dabei auch die FI-Technik mit nichtorthogonalen Rechengittern eingesetzt. Im Bild gezeigt ist ein dielektrischer Resonator (Saphir) mit dem vorgelagerten Koppelelement, einer kurzen Koax-gespeisten Antenne.

Veröffentlichungen zum Thema:

  • M. Willer, J. Forrer, J. Keller, S. Van Doorslaer, A. Schweiger, R. Schuhmann, T. Weiland: S-band (2-4 GHz) pulse electron paramagnetic resonance spectrometer: Construction, probe head design, and performance. Review of Scientific Instruments, Volume 71, Number 7, July 2000, pp. 2807-2817.