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FAIR-Speicherring CRYRING einsatzbereit

08.06.2020

Der erste FAIR-Speicherring, der sogenannte CRYRING, ist bereit, Experimente der wissenschaftlichen Forschungsgemeinde durchzuführen. CRYRING ist ein äußerst erfolgreicher Ionenspeicherring, der viele Jahre in Stockholm zentrale Forschungsbeiträge in der Atom- und Molekularphysik ermöglicht hat. Er wurde als schwedischer Sachbeitrag (sog. In-Kind) zu GSI und FAIR nach Darmstadt gebracht. Hier wurde er modernisiert, an FAIR-Standards angepasst und unter dem Projektnamen „CRYRING@ESR“ an den bestehenden Experimentierspeicherring ESR auf dem GSI-Gelände angeschlossen. Zusammen mit der bereits bestehenden Ionenfalle HITRAP, dem ESR und dem zukünftigen Hochenergiespeicherring HESR wird CRYRING Teil des einzigartigen Portfolios von Fallen- und Speicheranlagen für schwere Ionen von FAIR sein.

CRYRING ist eine Anlage zum Speichern von hochgeladenen, schweren Ionen bei niedriger Strahlenergie. Mit seinem hohen Vakuum eignet sich der Speicherring besonders gut, die Ionen bei kleinen Energien zu speichern und zu kühlen. Mit niedrigenergetischen Ionen sind Experimente von höchster Präzision, aber auch in einem zuvor unerreichten Regime langsamer, adiabatischer Stöße möglich, welche uns einen neuen Einblick in atom-, astro- und kernphysikalische Prozesse erlauben.

Der Wiederaufbau des CRYRING wurde 2015 begonnen. Im Jahr 2017 konnte erstmals gespeicherter Strahl erzeugt werden, zunächst noch aus einer lokalen Quelle. In den vergangenen Jahren wurde an der Optimierung des Ringbetriebs, der Strahlkühlung und -diagnose, am neuen FAIR-Kontrollsystem und an der experimentellen Infrastruktur gearbeitet. Die Inbetriebnahme ist nun kurz vor dem Abschluss und so weit fortgeschritten, dass die Anlage bereit für die Aufnahme wissenschaftlicher Experimente ist.

Für dieses Frühjahr waren am CRYRING bereits diverse Experimente der wissenschaftlichen Nutzerinnen und Nutzer unter internationaler Beteiligung geplant. Aufgrund der Corona-Pandemie mussten sie jedoch vorläufig abgesagt und in kommende Betriebszeiten verschoben werden. Es wurde dennoch weiter an der vollständigen Inbetriebnahme der Anlage gearbeitet. Hierbei wurden hochgeladene, schwere Blei-Ionen (Beryllium-artiges Pb78+ und später auch Pb82+ mit vollständig entfernter Elektronenhülle) aus dem GSI-Linearbeschleuniger UNILAC via den Ringbeschleuniger SIS-18 und den Experimentierspeicherring ESR nicht nur zu CRYRING transportiert, sondern auch gespeichert, gekühlt und für Tests der experimentellen Infrastruktur genutzt. Die Lebensdauern und die Elektronenkühlung der gespeicherten Strahlen stimmten mit vorherigen Abschätzungen überein.

In den ersten Tests registrierten Röntgendetektoren am sogenannten Elektronenkühler das charakteristisches Röntgenspektrum der hochgeladenen schweren Ionen, welches für das fundamentale Verständnis der elektromagnetischen Wechselwirkung in extrem starken Feldern (Quantenelektrodynamik) von besonderem Interesse ist. Im CRYRING gespeicherte Ionen durchfliegen bei jedem Umlauf auf einer kurzen Strecke im Elektronenkühler eine mit gleicher Geschwindigkeit mitfliegende kalte, dichte Elektronenwolke, welche primär der Strahlkühlung dient. Ein sekundärer Nebeneffekt ist, dass auch ein kleiner Teil der Ionen ein Elektron aus der Wolke einfängt und die hierbei freiwerdende Energie als Röntgenstrahlung freisetzt. Diese Strahlung können sich die Forschenden für die Untersuchung der Quantenelektrodynamik zunutze machen.

Aufgrund der zwölfseitigen Geometrie des CRYRINGs lassen sich die Röntgenzähler in eine ideale Stellung exakt auf Achse vor und hinter den Ionenstrahl und dennoch recht nahe an den Wechselwirkungsbereich mit den Kühlelektronen bringen. Hierdurch werden Unsicherheiten im Beobachtungswinkel weitgehend eliminiert, die durch die Dopplerverschiebung hervorgerufen werden. Die niedrige Strahlenergie der gespeicherten Ionen trägt ihrerseits dazu bei, diese Verschiebung an sich zu reduzieren, so dass sich Röntgenspektren mit einer unerreichten Präzision und Reinheit erfassen lassen.

Für die Zukunft ist geplant, die aktuell aufgrund von COVID-19 nicht durchführbaren Experimente bald möglich nachzuholen. Des Weiteren soll die Inbetriebnahme vollständig abgeschlossen werden. Dazu wird noch die Extraktion ergänzt werden, um die abgebremsten, gekühlten Ionen aus dem Ring auszuleiten und material- und biophysikalische Experimente mit festen Targets zu ermöglichen. (CP)

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