Gesamtkonzept für den MESA-Teilchenbeschleuniger unter besonderer Berücksichtigung von Strahloptik und Kryogenik
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Mit dem Ende des A4-Experiments am Mainzer Mikrotron (MAMI) stellt sich die Frage, wie eine sinnvolle Weiterverwendung der frei werdenden Experimentierhallen aussehen könnte. Im Rahmen des Exzellenzclusters PRISMA (Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter) und des Sonderforschungsbereichs 1044 fiel die Entscheidung, eine Reihe von speziellen Experimenten mit dem neuartigen ‚Multiturn‘-energierückgewinnenden supraleitenden Dauerstrich-Elektronenbeschleuniger MESA (Mainz Energy-Recovering Superconducting Accelerator) durchzuführen. Neben einem externen Experiment P2, welches mit einem polarisierten Elektronenstrahl mit Energien bis zu 155 MeV bei Stahlstromstärken bis zu 150 µA betrieben wird, besitzt MESA ein internes Experiment MAGIX (MesA Gas Internal target eXperiment) mit Strahlenergien bis zu 105 MeV bei Strahlstromstärken bis zu 1 mA. Das interne Experiment wird im energierückgewinnenden Modus betrieben.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Gesamtkonzept für den Teilchenbeschleuniger MESA aufzustellen, welches die benötigte Infrastruktur beinhaltet. Hierbei sind insbesondere sowohl die Versorgung der Kryomodule mit kryogenen Flüssigkeiten zu nennen als auch die Entwicklung einer Strahlführung, die die von den Experimenten geforderten Strahlparameter liefern kann.
Die Auslegung des Kryosystems für MESA umfasst die Ermittlung des Bedarfs an kryogenen Flüssigkeiten von MESA sowie die Planung des Transferleitungssystems. Hierfür wurde ein Fließschema (PFD) der Kryoverteilung angefertigt, die Druckniveaus in den einzelnen Kryokomponenten festgelegt, die Transferleitungsdurchmesser bestimmt und das subatmosphärische Kompressorsystem (SAK) ausgelegt. Dies wurde sowohl für eine Flüssighelium-Versorgung als auch für eine Versorgung mit überkritischem Helium durchgeführt.
Zur Entwicklung der Strahlführung wurden zuerst die strahloptischen Randbedingungen für MESA bestimmt und die Strahlparameter der einzelnen Strahlführungskomponenten zusammengetragen. Hieraus wurde eine Strahloptik entwickelt, die den verschiedenen Betriebsmodi von MESA Rechnung trägt. Zur Entwicklung der Strahloptik wurden Strahlseparationen, Umlenkbögen und Experimentstrahlführungen entworfen sowie der Einfluss von Synchrotronstrahlung auf MESA untersucht.