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S-DALINAC - Einmessung des Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger

Darmstädter Elektronenbeschleuniger

Der Supraleitende Darmstädter Elektronenlinearbeschleunigers (S-DALINAC) ist ein zweifach rezirkulierender Elektronenlinearbeschleuniger, der vom Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt betrieben wird. Der Elektronenstrahl lässt sich bei Nutzung beider Rezirkulationen derzeit auf bis zu 130 MeV beschleunigen.

Um den gegenwärtigen Strahlenverlauf geometrisch zu dokumentieren und als Planungsgrundlage für zukünftige Erweiterungen zu nutzen, waren die Di- und Quadrupole entlang der Strahlführung sowie die Position des Strahlrohrs zwischen den Kryostatmodulen messtechnisch zu erfassen. Neben den geometrischen Positionen waren auch die Ausrichtungen und Neigungen der einzelnen Di- und Quadrupole abzuleiten.

Aufgabenspektrum und Herausforderungen

Die geforderte räumliche Punktgenauigkeit lag bei maximal 5/10 mm, weshalb das Labor für Industrielle Messtechnik auf den mobilen Lasertracker AT401 von Leica zurückgriff. Der AT401 ist mit einer 3D-Punktunsicherheit von 15 µm+6 µm/m spezifiziert. Neben der hohen Messgenauigkeit zeichnet sich dieser mobile Lasertracker durch eine vergleichsweise kompakte Bauweise aus, die ein flexibles Positionieren des Messinstrumentes im Objektraum ermöglicht.

Insgesamt wurden 66 Magneten (26 Dipole und 40 Quadrupole) entlang der Strahlführung sowie Teile des Strahlrohrs zwischen den Kryostatmodulen taktil erfasst. Von 31 Standpunkten wurden über 2100 Punktbeobachtungen zu 1500 Objektpunkten durchgeführt. Der Realisierung des datumsgebenden Referenzrahmens erfolgte durch 18 Drift-Nester. Die vollständige messtechnische Erfassung konnte innerhalb von zwei Wochen abgeschlossen werden.

In Kooperation mit dem Labor für Geoinformation erfolgte eine vollständige räumliche Aufnahme mit einem Laserscanner FARO Focus3D S 120. Die hierbei registrierte Punktwolke liefert wichtige Kenngrößen, um logistische Fragestellungen oder räumliche Restriktionen ohne Hallenzutritt zu beantworten.

Analyse- und Auswertestrategien

Die Verknüpfung der Standpunkte zu einem Gesamtnetz erfolgte durch eine Bündelausgleichung auf der Basis kartesischer Koordinatenbeobachtungen. Hierfür setzt das Labor für Industrielle Messtechnik ein selbstentwickeltes Ausgleichungsprogramm ein, welches in Anlehnung an den Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (engl. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement; GUM) den gesamten Messprozess in ein umfassendes Stochastisches Modell im Auswerteprozess abbildet. Linearisierungsfehler in der Modellbildung werden wahlweise durch den Einsatz der Monte-Carlo Simulation oder der weniger rechenintensiven Unscented Transformation minimiert.

Schätzung eines Doppel-Zylinders

Die aus der Ausgleichung stammenden Koordinaten wurden zum Ableiten von Formparametern unter Berücksichtigung der vollbesetzten Varianz-Kovarianz-Matrix herangezogen. Bedingt durch das Aufnahmeverfahren des zylindrischen Strahlrohrs zwischen den Kryostatmodulen ergab sich als geometrische Figur ein Doppelzylinder, welcher mit Verfahren der Formanalyse zu bestimmen war. Die Ableitung der Ausrichtung und Neigung der Di- und Quadrupole erfolgte über Regressionsebenen, wie sie auch bei der Einmessung von Fächerecholoten Anwendung finden. Insgesamt konnte mit einer räumlichen Punktunsicherheit von 0,2mm (k=2) für die Objektpunkte die o.g. Anforderungen für Einzelpunktpositionen und abgeleitete Größen erfüllt werden.

Publikationen

Arnold, M., Burandt, C., Grewe, R., Pforr, J., Pietralla, N., Steinhorst, M., Eschelbach, C., Lösler, M., Hug, F.: First ERL Operation of S-DALINAC and Commissioning of a Path Length Adjustment System. In: Koscielniak, S., Satogata, T., Schaa, V., Thomson, J. (Hrsg.): Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC2018), 29. April - 04. Mai 2018, Vancouver, Kanada, S. 4859-4862, 2018. DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2018-THPML087

Arnold, M., Burandt, C., Eschelbach, C., Kürzeder, T., Lösler, M., Pforr, J., Pietralla, N.: ERL Mode of S-DALINAC - Design and Status. In: Proceedings of ERL17 - The 59th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Energy Recovery Linacs, 18.-23. Juni 2017, CERN, Geneva, Schweiz, 2017. DOI: 10.18429/JACoW-ERL2017-MOIDCC006

Arnold, A., Burandt, C., Eschelbach, C., Lösler, M., Pforr, J., Pietralla, N.: The Thrice-Recirculating S-DALINAC with ERL-Mode. In: Aulenbacher, K., Khoukaz, A. (Hrsg.): 650. WE-Heraeus-Seminar, Physics of Energy-Recovering Linacs, 16.-18. Oktober 2017, Bad Honnef, Deutschland, 2017.

Eschelbach, C., Lösler, M., Winkemann, P., Arnold, M., Pietralla, N.: Einsatz mobiler Lasermesstechnik bei der Erfassung von Strahlführungselementen eines Elektronenlinearbeschleunigers. avn - Zeitschrift für alle Bereiche der Geodäsie und Geoinformation, Vol. 124(3), S. 61-69, 2017.

Eschelbach, C., Lösler, M., Winkemann, P., Arnold, M., Pietralla, N.: Einsatz mobiler Lasermesstechnik zur Aufnahme von Strahlführungselementen eines Elektronenlinearbeschleunigers. In: Luhmann, T., Schumacher, C. (Hrsg.): Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D-Messtechnik: Beiträge der 15. Oldenburger 3D-Tage 2016, Wichmann, S. 307-318, 2016. ISBN: 978-3-87907-604-8

Lösler, M., Arnold, M., Bähr, H., Eschelbach, C., Bahlo, T., Grewe, R., Hug, F., Jürgensen, L., Winkemann, P., Pietralla, N.: Hochpräzise Erfassung von Strahlführungselementen des Elektronenlinearbeschleunigers S-DALINAC. Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformatik und Landmanagement (ZfV), Vol. 140(6), S. 346-356, 2015. DOI: 10.12902/zfv-0090-2015

Lösler, M., Eschelbach, C.: Konzept zur Realisierung eines Prototypen zur sachgerechten Auswertung von polaren Beobachtungen. avn - Zeitschrift für alle Bereiche der Geodäsie und Geoinformation, Vol. 119(7), S. 249-258, 2012.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH)
Michael Lösler
Tel: +49 (0) 69 1533-2784
michael.loesler(at)fb1.fra-uas.remove-this.de

Anschrift

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Fachbereich 1

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