Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg
vom 17. bis zum 27. Oktober 2005
Von Matthias Rosenboom
Die Gruppe FLA (Forschung für Linear Accelerators) beschäftigt sich mit speziellen Diagnosewerkzeugen sowie Beschleunigungs-Strukturen für supraleitende Linearbeschleuniger. Diese von der TESLA Collaboration entwickelte neue Technologie wird in dem geplanten europäischen Freien-Elektronen-Röntgenlaser XFEL zum Einsatz kommen und ist eine von zwei möglichen Techniken für einen zukünftigen internationalen Linearcollider (siehe http://tesla.desy.de/fla/).
Das Hauptbüro der Gruppe liegt auf dem DESY-Gelände im Gebäude 1d, des Weiteren gibt es aber noch eine Messstation sowie eine eigene Werkstatt. Das Hauptbüro ist auch der Ort, wo ich später meine Programme geschrieben habe. Dort hatte ich meinen eigenen Arbeitsplatz, wie folgendes Foto zeigt:
Die Beobachtung von Übergangsstrahlung im THz Bereich, die entsteht, wenn ein Elektronenpaket des Linacs eine dünne Metallfolie durchquert, ist ein wichtiges diagnostisches Hilfsmittel zur Untersuchung der Zeitstruktur dieser Elektronenpakete. Am Lineac des VUV-FEL wird derzeit eine Übergangsstrahlungsquelle mit externer, evakuierter Strahlführung installiert, die es erlaubt, die Übergangsstrahlung im interessanten Frequenzbereich, oberhalb 200 GHz, außerhalb des Beschleunigertunnels zu nutzen und zu untersuchen. Als eines der ersten Experimente soll im Fokus der Strahlführen ein elektro-optischer (EO) Kristall installiert werden. Dieses EO Experiment ergänzt ein direkt im Beschleunigervakuum installiertes EO Experiment der FLA-Gruppe, erlaubt aber, wegen der ständigen Zugänglichkeit der Kristallkammer, Untersuchungen verschiedener EO Materialien und Kristallgeometrien (siehe http://tesla.desy.de/fla/announcement/Dipl_EO_extern.html/).
Der obere gelbe Balken zeigt die Strahlführung des VUV-FEL. In Orange ist die Übergangsstrahlung dargestellt. Die einzelnen Spiegel sind blau eingefärbt und mit den Kästen S1-S8 durchnummeriert. Die evakuierte Strahlführung ist nicht eingefärbt.
2D Ansicht der Anlage
Das erste Bild zeigt die Stelle, wo die Übergangsstrahlung aus dem FEL in die Strahlführung projektiert wird; das dünne, waagerecht verlaufende Rohr ist der FEL; die darunter liegenden, dickeren Rohre sind die von der Strahlführung der FLA:
Das zweite Bild zeigt das Messhaus außerhalb des FEL-Tunnels:
Jetzt befindet man sich im Messhaus und schaut auf die Stelle, wo die Strahlführung aus dem Erdwall von unten ins Haus hineingeführt wird; nach rechts geht es weiter zum Experimentiertisch:
Hier sieht man nun den Experimentiertisch; das Strahlrohr ist am Ende verschlossen, nur an der Seite wird durch ein kleines Sichtfenster die Übergangstrahlung genutzt:
Dieses Bild zeigt nun das Endstück etwas präziser, jetzt kann man auch das Sichtfenster an der Seite erkennen:
Auf der anderen Seite des Raumes steht ein PC; von hier aus habe ich auch die Positionen der Spiegel ermittelt:
Die in der evakuierten Röhre der THz Strahlführung befindlichen Spiegel wurden alle manuell eingestellt. Ein Verstellen der Spiegel wäre nur zeitaufwendig wieder zu korrigieren, da niemand ihre exakte Position kennt. Meine Aufgabe bestand darin, herauszufinden, wie die Positionen der Spiegel sind. Des Weiteren sollte ich ein Programm schreiben, mit dem man die Spiegel automatisch in ihre Ursprungsstellung zurückfahren kann, wenn sie einmal „verstellt" wurden. Auch eine Benutzeroberfläche für DOOCS sollte erstellt werden. Im Anschluss habe ich dann auf Wunsch von Dr. Bernhard Schmidt ein Programm geschrieben, mit dem man die Echtzeitstellung der Spiegel auslesen kann.
Das Programmieren erfolgte mit MATLAB 7.
Das erste Programm erfasste sich mit dem Herausfinden der Spiegelpositionen. Hierzu wurde jeder Motor, der den Spiegel vertikal oder horizontal bewegt, einzeln auf seinen negativen Endlagenschalter gefahren. Dabei wurden die Schritte gezählt, die der Motor dazu zurückgelegt hat. Anschließend hat das Programm die Motornummer und die dazugehörige Schrittzahl in einem File abgespeichert und den Motor wieder in seine Ausgangsstellung zurückgefahren. Wenn das Programm gestartet wird, fragt es vorerst nach dem Filenamen, in dem es die Daten ablegen soll. Danach muss der Benutzer die Motornummer eingeben. Damit man nicht für jeden Motor das Programm neu starten muss, wird eine while-schleife eingesetzt.
Das zweite Programm ist dafür gedacht, beim Verstellen der Spiegel alle Spiegel wieder auf ihre Ausgangsposition zurückzufahren. Dazu liest das Programm die Daten aus einem File wieder ein und fährt jeden Motor auf seine Position zurück. Damit man nun auch die richtigen Daten bekommt, fragt das Programm beim Start nach den Filenamen. Hier sollte der Name des Files aus dem ersten Programm eingegeben werden. Durch die Eingabe vom Filenamen ist man unabhängiger vom Programm. Dies erlaubt es, die Durchführung öfter zu machen, ohne das Datenverluste von vorherigen Ergebnissen entstehen.
Das dritte Programm, das ich mit MATLAB geschrieben habe, fragt jeden Motor der Spiegel nach seiner Schrittposition ab. Auch dieses Programm legt anschließend seine erfassten Daten in ein File ab, wobei auch hier beim Programmstart der Filename eingegeben werden muss.
Die Benutzeroberfläche habe ich mit DOOCS Data Display angelegt. DOOCS ist ein interaktives Zeichenprogramm, auf ihm basiert die bequeme Ansteuerung der gesamten FEL-Anlage. Vom Prinzip her sieht sie so aus wie die obige Abbildung der Strahlführung. Hier lassen sich aber noch über Buttons die Motoren separat ansteuern und einstellen. Als Zusatz kann man über einem Button auf mein drittes Programm zugreifen. Des Weiteren kann man dort noch ein Blendenkreuz der Anlage ansteuern, hierauf werde ich aber nicht weiter eingehen.
Nach intensiven Testen und Modifizieren der Programme sind alle zu einem gutem Ergebnis gekommen. Das erste Programm hat alle Spiegelpositionen erfasst, das zweite ist bereit für seinen Einsatz. Auch das Auslesen der Spiegelpositionen hat funktioniert. Die Benutzeroberfläche steht nun für alle Benutzer von DOOCS bereit. Keineswegs ist meine Arbeit nur für den einmaligen Einsatz bestimmt gewesen, die Programme werden auch weiterhin am DESY eingesetzt bzw. weiter modifiziert.
Jeden Dienstag wird der FEL für ein paar Stunden abgeschaltet, damit die einzelnen Gruppen ihre Versuche im Tunnel bearbeiten können. Während des Betriebs ist der Zugang nicht möglich, da im Tunnel eine gefährliche Strahlung herrscht. Damit ich den Tunnel auch betreten durfte, musste ich vorher eine Unterweisung zum Strahlenschutz absolvieren. Im Tunnel selbst musste ich ein Dosimeter tragen, dies misst die Strahlung, die der Körper abbekommt. Nun ein paar Bilder, die ich machen konnte.
Hier ist der Zugangsbereich zum Interlockgebiet bei den eingeschalteten FEL zu sehen:
Mit Dosimeter ausgestattet habe ich den Bereich des Injektors fotografiert:
Auf dem nächsten Bild erkennt man das erste Beschleunigungsmodul:
Hier ist ein Teil der Bunch Compressoren abgebildet:
Zuletzt noch ein Blick entlang des Tunnels in Richtung der Undulatoren:
Für vertiefende Erklärungen des FEL verweise ich auf die Homepage des DESY.
Zum Schluss ist zu sagen, dass mir das Stipendiatenprogramm sehr gefallen hat. Die Arbeit mit den Wissenschaftlern hat viel Spaß gemacht, wenn man Hilfe benötigte, halfen sie gern. Ich kann es jedem nur weiterempfehlen an diesem Programm teilzunehmen.