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Strahldiagnose mittels Kryo-Stromkomparator

SQUIDs (Supraleitende Quanten-Interferometer) werden in vielen Bereichen der Präzisionsmesstechnik eingesetzt. Sie sind einzigartig empfindliche Magnetfeld-/ Stromsensoren und finden sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Forschung, wie in der Biomedizin, der Geophysik oder der Hochenergiephysik Anwendung.

Rückwirkungsfreie Messungen und die Überwachung von Strahlströmen in Teilchenbeschleunigern sind eine große technische Herausforderung, da herkömmliche Messverfahren das Profil oder die Intensität des Strahls beeinflussen können. Als Alternative kann mit Hilfe eines Strahlüberwachungssystems auf der Basis des Kryo-Stromkomparator-Prinzips (englisch Cryogenic Current Comparator, kurz: CCC) das von den bewegten, geladenen Teilchen erzeugte Magnetfeld rückwirkungsfrei gemessen werden.

Schematische Skizze eines kryogenen Stromkomparators.
Schematische Skizze eines kryogenen Stromkomparators.

Ein CCC besteht aus einem hochempfindlichen DC-SQUID-System, einer ringförmigen supraleitenden Pick-up-Spule und einer mäanderförmigen supraleitenden Abschirmung. Die Arbeits­temperatur des CCC liegt bei etwa 4 K und wird durch Kühlung mit flüssigem Helium erreicht.

Der CCC ermöglicht die Messung sowohl von kontinuierlichen als auch von gepulsten Strahlströmen im nA-Bereich und ist bisher das empfindlichste Gerät zur rückwirkungsfreien Messung niedrigster Strahlströme in einem Frequenzbereich von DC bis zu mehreren hundert kHz.

Um eine hohe Auflösung des Messsignals zu erreichen, muss die supraleitende Abschirmung sehr effizient alle äußeren Störfelder abschwächen, jedoch das azimutale Magnetfeld des Strahls ungehindert bis zur Pick-up-Spule leiten.

Die Auflösung und die Übertragungsfunktion des Detektors hängen stark von den physikalischen Eigenschaften der ringförmigen Pick-up-Spule ab. Ein ferro­mag­neti­scher Flusskonzentrator kann die Eigenschaften der Pick-up-Spule verbessern. Untersuchungen der Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der relativen Permeabilität sowie des Rauschbeitrages des ferromagnetischen Kernmaterials sind entscheidend für die Opti­mie­rung des CCC in Bezug auf ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis sowie eine hohe Übertragungsbandbreite.

Links: Niob-Kryo-Stromkomparator CCC-XD mit SQUID-Patrone und einem Innendurchmesser von 250 mm (eXtended Dimension) für das FAIR-Projekt. Rechts: CCC-Kryostat vor dem Einbau in den AD-Ring bei CERN.
Links: Niob-Kryo-Stromkomparator CCC-XD mit SQUID-Patrone und einem Innendurchmesser von 250 mm (eXtended Dimension) für das FAIR-Projekt. Rechts: CCC-Kryostat vor dem Einbau in den AD-Ring bei CERN.

Ein in Jena gefertigter Niob-CCC mit Flusskonzentrator versieht aktuell seinen Dienst am CERN-AD (Antiproton Decelerator). Der selbstkühlende Kryostat ermöglicht hier einen Dauerbetrieb.   

Im Rahmen des FAIR-Projektes (Facility for Antiproton and Ion Research) wurde ein CCC-Sensor mit besonders großen Innendurchmesser für ausheizbare UHV-Strahlrohre mit einen Durchmessen von 150 mm entwickelt. Die hierbei erzielte rauschbegrenzte Stromauflösung unter Laborbedingungen ist besser 5 pA/√Hz im Frequenzbereich > 1 kHz.