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Verantwortlich: Prof. R. Maier, IKP, r.maier@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Das Kühler-Sychrotron COSY ist ein Beschleuniger- und Speicherring, mit dem polarisierte und nichtpolarisierte Protonen und Deuteronen auf Impulse bis maximal 3,65 GeV/c beschleunigt werden. Dieser Beschleuniger stellt aufgrund der Kombination von Eigenschaften eine einzigartige Anlage dar. Für Experimente der Hadronen-Physik können Strahlen hoher Brillanz und sehr guter Energieschärfe in einem weiten Energiebereich bereitgestellt werden. Zwei Verfahren zur Strahlkühlung sind verfügbar: Elektronenkühlung bei niedrigen Strahlenergien und das stochastische Kühlverfahren im oberen Energiebereich.

Wissenschaftler von deutschen und ausländischen Forschungseinrichtungen nutzen den Strahl an internen und externen Experimentierplätzen. COSY gehört zu den Forschungsgeräten der Verbundforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

Mit dem Kühler-Synchrotron COSY werden Proton Proton und Proton Kern Reaktionen studiert, die Informationen über die subnukleare Struktur der Baryonen und Mesonen sowie über deren Modifikation im nuklearen Medium geben. Grundlegendes Ziel ist das Verständnis der Struktur der Hadronen bei mittleren Energien.

Die Beschleunigeranlage wird den Anforderungen der Experimente entsprechend ständig weiter entwickelt, wobei die Bereitstellung von polarisierten Protonen- und Deuteronenstrahlen mit hoher Intensität besondere Priorität hat. Dabei sollen die physikalisch/technischen Maßnahmen den Experimentierbetrieb möglichst wenig stören. In 2003 wurde eine Betriebszeit von 7300 Stunden erreicht, von denen 5560 Stunden für Experimente verwendet werden konnten; ein Anteil von 1740 Stunden wurde für beschleunigertechnische Aufgaben genutzt.

Umfangreiche Arbeiten wurden durchgeführt, um polarisierte Protonenstrahlen bis hin zur Maximalenergie mit guten Eigenschaften bereitzustellen. Im Jahr 2003 wurde erstmalig ein polarisierter Protonenstrahl nach Injektion elektronengekühlt, dann beschleunigt und für ein Experiment bereitgestellt. Durch die kleine Emitanz des gekühlten Protonenstrahles reduziert sich die Stärke der depolarisierenden Resonanzen, so dass nach Beschleunigung eine Strahlpolarisation von über 90% erreicht werden konnte.

Zur Bereitstellung externer Strahlen stehen mehrere Verfahren zur Verfügung. Eine ultraschnelle Extraktion gestattet es, den elektronengekühlten gespeicherten Strahl in nur 200 ns auszukoppeln. Derart kurze Strahlpulse werden am Experiment JESSICA benötigt, um Untersuchungen zur Optimierung des Hochleistungstargets der ESS durchzuführen. Im Gegensatz dazu kann durch die Methode der stochastischen Extraktion externer Strahl im Bereich von etwa 20 Sekunden bis zu mehreren Minuten bereitgestellt werden.

Einige Experimente wie GEM und TOF benötigen Strahlen bestmöglicher Brillanz am Targetort. Sie sind mit Veto-Zählern ausgestattet, welche die Datenaufnahme unterdrücken, sobald Ionen aus dem Strahl-Halo störend auftreten. Nachdem gezeigt werden konnte, dass die durch Elektronenkühlung verbesserte Strahlemittanz auch während der Beschleunigung erhalten bleibt, lag es nahe, den so präparierten Strahl auch zu extrahieren.

Deuteronenstrahlen gewinnen für eine Reihe von Experimenten zunehmend an Bedeutung. Auf Beschleunigerseite konnten dazu signifikante Fortschritte erzielt werden. Die Beschleunigung unpolarisierter Deuteronen auf 3,3 GeV wurde demonstriert ebenso wie die Extraktion aus dem Ring mit gutem Wirkungsgrad. Dabei konnten relativ hohe Intensitäten erreicht werden: Ohne Elektronenkühlung wurden bis zu 1,3•10¹¹ und nach Kühlung immer noch 5•10¹⁰ im COSY-Ring gespeichert. Erstmalig wurden polarisierte Deuteronen in COSY injiziert und für interne und externe Experimente zur Verfügung gestellt. Bei der Beschleunigung polarisierter Deuteronen treten keine depolarisierenden Resonanzen auf. Dadurch standen den Experimenten bis zu 6•10⁹ polarisierte Deuteronen mit hohem Polarisationsgrad zur Verfügung.

Da die Intensität der polarisierten Strahlen auf Grund der niedrigeren Ionenquellenstöme deutlich niedriger als die der unpolarisierten Strahlen ist, wurden Experimente mit mehrfacher Injektion und Elektronenkühlung durchgeführt. Hiermit ist es möglich, über einen Zeitraum von 15 Minuten etwa 900 mal zu injizieren und den umlaufenden Strahl mit der Elektronenkühlung zu kühlen, danach zu beschleunigen. Damit wurden bis zu 2•10¹⁰ polarisierte Protonen beschleunigt. Diese Methode ist wegen der langen Injektionszeit nur interessant für interne Experimente mit sehr langen Strahllebensdauern.

Im Rahmen von den Maschinenentwicklungszeiten wurden detaillierte Studien zu Strahlverlusten bei Injektion und dem Beschleunigungsvorgang durchgeführt. Die Analyse der Messungen und Umsetzung in den Betrieb von COSY haben es ermöglicht, die Intensität um einen Faktor 3 auf 1.5•10¹¹ unpolarisierte Protonen bei hoher Energie zu steigern.

Durch die Zentralabteilung Technologie (ZAT) wurden in enger Zusammenarbeit mit dem IKP umfangreiche Arbeiten durchgeführt. Unter anderem wurde für ANKE ein neue Target-Kammer gebaut und der COSY-Ring mit einer neuen Injektionskammer ausgestattet. Umfangreiche Untersuchungen wurden für supraleitende Beschleunigungsstrukturen und deren zugehörige Kryostaten durchgeführt.

Das Zentralinstitut für Elektronik (ZEL) unterstützte das IKP in seinen Aufgaben durch die Entwicklung einen neuen CCD-Kamerasystem. Das Kamera-System besitzt weltweit die höchste Auflösung bezüglich Ort und Energie für niederenergetische Gammas. Des weiteren wurden umfangreiche Systeme für die Datenaufnahme mit MWPCs und Vertex-Detektoren an ANKE sowie Straw-Detektoren an TOF entwickelt. Zur Vorbereitung auf zukünftige Anforderungen wurden Entwicklungen für die Höchstraten Vorverarbeitung in Front-End-Systemen begonnen.