Projekte
Abbildung 1: Das Beschleunigungsrohr (Schnitt)
Die Ionenquelle - eine Kalibrieranlage für Weltrauminstrumente
Unter der Leitung der Extraterrestrischen Physik entsteht zur Zeit in den Räumen des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik (IEAP) an der CAU eine Kalibrieranlage für Weltrauminstrumente (im folgenden vereinfacht „Ionenquelle“ genannt). Ziel dieser Anlage ist das Erzeugen von hochgeladenen Ionen, wie sie im Sonnewind und im interplanetaren Medium auftreten, z.B. H+, He++, O6+, Fe10+, etc...
Mit einer statischen Beschleunigung der Ionen wird der Energiebereich 0,2keV/q bis 450keV/q abgedeckt (siehe dazu Darstellung des Beschleunigungsrohres links). Die Anlage wird so ausgelegt, dass die einzelnen Ladungszustände sauber getrennt werden und ein stabiler Betrieb erreicht wird. Die Trennung erfolgt über einen 90 Grad-Sektormagneten. Eine besondere Herausforderung stellt die Electron Cyclotron Resonance Ionen Quelle (ECRIS) auf der Hochspannungsplattform dar. Durch umfangreiche Simulationen wurde das aus Permanentmagneten bestehende System der Ionenquelle optimiert und auch bereits gebaut.
Abbildung 2: Aufbau der Ionenquelle (CAD-Planung) [Originalgröße]
Die neue Ionenquelle bietet ideale Möglichkeiten für die Entwicklung und Kalibration der geplanten Instrumente auf Missionen wie STEREO und SOLAR ORBITER.
Über das Potential der Hochspannungsplattform -(20kV .. 450kV), auf der sich die ECR-Quelle befindet, kann die Energie der Ionen eingestellt werden (Abb.1). Die Anordnung der Geräte auf der Hochspannungsplattform (Abb.1) ist schematisch in Abb.2 dargestellt.
Die in der Quelle erzeugten Ionen werden in eine Vakuumrohrleitung extrahiert und durch elektrostatische Linsen, sowie einen Sektormagneten nach dem Verhältnis Masse/Ladung selektiert. Im Anschluss können die Ionen wie oben erwähnt mittels einer Beschleunigungsstrecke nachbeschleunigt werden. In diesem Anwendungsfall wird die erforderliche Netzspannung über einen isolierten Generator direkt auf der Plattform erzeugt.
Abbildung 3: Schematischer Aufbau der Ionenquelle
Die Ionenquelle
Um eine Quelle zu erhalten, die genau unseren Ansprüchen genügt, haben wir uns entschlossen, die Ionenquelle als ECRIS selbst zu konstruieren. Wie bereits erwähnt, wurden zu diesem Zweck umfangreiche Simultionen vor allem am Magnetsystem vorgenommen. Diese führten schliesslich zu folgendem Aufbau:
Abbildung 4: Aufbau der ECRIS
Als Besonderheit ist unsere Quelle mit verstellbaren Eisenringen ausgestattet, die es erlauben, das Magnetfeld anzupassen. Nach erfolgreicher Montage der Quelle wurde eine Messung durchgeführt, um zu zeigen, in wieweit die Simulationen erfolgreich waren. Die Ergebnisse dieser Messung ist in den beiden folgenden Abbildungen dargestellt. Die erste Grafik zeigt den Betrag der axialen B-Feldstärke. Die durchgehende Kurve zeigt den simulierten Verlauf des Magnetfeldes. Die Punkte zeigen die gemessene Magnetfeldstärke. In der zweiten Grafik ist der Einfluss der Position der Eisenringe auf das Magnetfeldplateau dargestellt. Die Resonanzfrequenz kann in dem Bereich von 10 MHz bis 14 MHz gewählt werden.
Abbildung 5: Ergebnisse Magnetfeld I
Abbildung 6: Ergebnisse Magnetfeld II
Fazit
- Die neue Ionenquelle liefert einen wichtigen Beitrag bei der Entwicklung von Weltrauminstrumenten.
- Das B- Feld der entwickelten Permanentmagnet ECR Quelle kann über die Eisenringe optimiert werden.
- Ein direkter experimenteller Vergleich von Hexapol und Dodekapol wird möglich.
