Die Hauptbestandteile des Beschleunigers

Teilchenquelle

Am Anfang von MESA steht eine Teilchenquelle, die  Elektronen freisetzt. Diese werden zunächst in einem Vorbeschleuniger auf eine Energie von 5 MeV gebracht, bevor sie ins SRF-System und damit den eigentlichen Teilchenbeschleuniger einfliegen.  

Supraleitende Hohlraumresonatoren (SRF-System)

In den Hohlraumresonatoren werden die Elektronen mit Hilfe elektrischer Wechselfelder beschleunigt. Dazu wird in einem speziell geformten Hohlraum eine elektromagnetische Welle im Radiofrequenzbereich (1300 MHz) hin- und her reflektiert, so dass sich eine stehende Welle ausbildet – es kommt zur Resonanz. Das ist vergleichbar mit einer Gitarrensaite, die nach dem Zupfen in ihrer Resonanzfrequenz schwingt. Wenn nun ein Elektron zur richtigen Zeit durch den Hohlraum fliegt, so wird es von dem elektrischen Feld der Welle beschleunigt – ähnlich einem Surfer, der sich von einer Wasserwelle vorwärts tragen lässt. Wenn ein Teilchen hingegen zur falschen Zeit ankommt, wird es nicht beschleunigt oder gar gebremst. Deshalb können Teilchen immer nur in Paketen beschleunigt werden.  

Die Resonatoren werden mit flüssigem Helium auf 2 Kelvin (-271,3°C ) gekühlt; dadurch wird das Material supraleitend, d.h. es verliert seinen elektrischen Widerstand, so dass der elektrische Strom fast ohne Energieverlust fließen kann. So ist es möglich, eine Beschleunigungsspannung von mehr als 12,5 Millionen Volt pro Meter aufrechtzuerhalten.  

Beschleunigermodule

MESA enthält zwei Beschleunigermodule, auch „Kryomodule“ genannt. Das sind zwei Meter lange Isoliergefäße, in welche die supraleitenden Hohlraumresonatoren eingebaut sind. In jedem Modul herrscht eine elektrische Feldstärke von 12,5 Millionen Volt pro Meter. In jedem Modul gewinnen die Elektronen somit jeweils 25 MeV.  Nach beiden Kryomodulen haben die Elektronen ihre Energie um 50 MeV erhöht. Um Platz und Kosten zu sparen, wird der Elektronenstrahl dreimal durch die Module gelenkt (Rezirkulation), wobei sie auf ihre Endenergie von 155 MeV beschleunigt werden (inklusive der 5 MeV vom Vorbeschleuniger).

Elektromagnete

MESA benötigt etwa 60 Ablenkmagnete (Dipolmagnete), welche zur Strahlführung dienen: Sie lenken die Elektronen durch das Rezirkulationssystem und die Experimente. Weiterhin gibt es mehr als hundert Quadrupolmagnete, die ähnlich wie Linsen wirken und den Elektronenstrahl auf die Targets der Experimente fokussieren. 

Heliumkreislauf

Die hohe Beschleunigungsspannung in den Resonatoren ist nur möglich, da sie supraleitend sind: Strom fließt in ihnen ohne elektrischen Widerstand. Um die Supraleitung aufrechtzuerhalten, wird es kontinuierlich mit flüssigem Helium auf 2 Kelvin (-271,3°C ) gekühlt. Auch die Elektromagneten im P2-Experiment sind supraleitend, um das starke Magnetfeld in einem großen Volumen zu erzeugen.

Zur Kühlung werden einige Gramm Helium pro Sekunde durch das System geleitet; das erwärmte Helium fließt anschließend zurück in den Verflüssiger.

Das ursprünglich gasförmige Helium wird in einer mehrstufigen Expansionskühlung verflüssigt. Dabei nutzt man die Tatsache aus, dass sich Gase abkühlen, wenn sie sich ausdehnen; dieser Effekt wird beispielsweise bei Kältesprays eingesetzt.