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Ionenbeschleunigeranlage PIAF der PTB modernisiert

30.03.2017

Die Ionenbeschleunigeranlage PIAF („PTB Ion Accelerator Facility“) der PTB besteht aus einem energievariablen CV28-Isochronzyklotron und einem elektrostatischen Beschleuniger. Sie wird vom Fachbereich 6.4 Neutronenstrahlung betrieben und liefert Protonen-, Deuteronen- und Alphateilchenstrahlen mit Energien je nach Teilchenart von bis zu ca. 26 MeV, die für die Erzeugung von Neutronenreferenzfeldern sowie für Experimente mit Ionenstrahlen eingesetzt werden. Bei dem elektrostatischen Beschleuniger, der den unteren Ionenenergiebereich abdeckt, handelte es sich bisher um einen inzwischen 40 Jahre alten Van-de-Graaff-Bandgenerator mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 3,75 MV, der aufgrund der nicht mehr verfügbaren Originalersatzteile sowie der langen Nutzungsdauer und des damit verbundenen Verschleißes nicht mehr die ursprünglichen Spezifikationen erreichte und nur noch sehr eingeschränkt genutzt werden konnte.

Übersichtsbild der Ionenbeschleunigeranlage „PIAF“ der PTB. Von den beiden Beschleunigern werden die Ionenstrahlen über ein Strahlrohrsystem mit mehreren Umlenkmagneten an verschiedene Experimentierplätze geleitet. Die beiden Fotos zeigen den neuen 2-MVTandetronbeschleuniger während der Aufbauphase im Oktober 2016. In dem geöffneten Tank ist die sogenannte Beschleunigersäule zu sehen, in der die Ionen durch die angelegte Hochspannung beschleunigt werden.

Ziel der Modernisierung war es deshalb, den Van-de- Graaff-Beschleuniger durch einen neuen Beschleuniger zu ersetzen, der in der Lage ist, den ursprünglichen Strahlparameterbereich wieder abzudecken und der zugleich die Nutzungsvorteile moderner Beschleunigertechnologie bietet. Die Wahl fiel auf einen Tandetronbeschleuniger der Firma High Voltage Engineering Europa BV, mit dem Protonen und Deuteronenstrahlen mit einer Maximalenergie von 4 MeV und Alphastrahlen mit einer Maximalenergie von bis zu 6 MeV mit verbesserter Energieschärfe und Energiestabilität erzeugt werden können. Der neue Beschleuniger wird deutlich weniger Wartungsund Bedienungsaufwand erfordern und vor allem die routinemäßige Bereitstellung von Alphateilchenstrahlen und von gepulsten Strahlen zur Charakterisierung von Neutronenenergieverteilungen mit der Flugzeitmethode ermöglichen.

Im Februar 2016 wurde der alte Van-de-Graaff-Beschleuniger endgültig abgeschaltet und nach erfolgter Freigabe, ausgestellt durch die Genehmigungsbehörde, demontiert. Nach einer Renovierung des Beschleunigerraums begann im Oktober 2016 der Aufbau des neuen Beschleunigers. Zum Jahresende 2016 wurde der neue Beschleuniger nach einer intensiven Trainingsphase durch die Betriebsmannschaft vom Hersteller übernommen. Nach der noch nötigen anschließenden Sanierung der Klimaanlagen im Beschleunigerbereich kann der reguläre Strahlbetrieb voraussichtlich im Sommer 2017 wieder aufgenommen werden.

Mit der Neubeschaffung wird es in Zukunft weiterhin möglich sein, an der Ionenbeschleunigeranlage der PTB den gesamten Neutronenenergiebereich von etwa 2 keV bis zu 20 MeV lückenlos abzudecken. Die Erzeugung von monoenergetischen Neutronen in einem so großen Energiebereich stellt weltweit ein Alleinstellungsmerkmal der PTB dar, die damit ihre Rolle als eines der führenden nationalen Metrologieinstitute im Bereich der Neutronenmetrologie sichergestellt hat und auch weiterhin als kompetenter Partner bei wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragen im Zusammenhang mit Neutronenstrahlung zur Verfügung steht.