Untersuchungen zur Teilchendynamik in Hochstromlinearbeschleunigern für leichte Ionen

Es wurde für Protonen- und Deuteronenbeschleuniger unter Extrembedingungen (hoher Ionenstrom, Dauerstrichbetrieb, Niedrigenergieabschnitt) ein Vergleich zwischen der konventionellen RFQ-Alvarez-DTL-Kombination und einer 
Es wurde für Protonen- und Deuteronenbeschleuniger unter Extrembedingungen (hoher Ionenstrom, Dauerstrichbetrieb, Niedrigenergieabschnitt) ein Vergleich zwischen der konventionellen RFQ-Alvarez-DTL-Kombination und einer erstmals am IAP für diese Zwecke entwickelten RFQ-H-DTL-kombination durchgeführt. Insbesondere die Auslegung der Teilchendynamik von HF-Driftröhrenlinearbeschleunigern und RFQ's für leichte Ionen unter Miteinbeziehung der Raumladung und der Forderung nach Dauerstrichbetrieb sind Thema der vorliegenden Arbeit. Die vorgestellten Beschleuniger müssen extrem hohen Anforderungen an Transmission (Stromverlustrate << 3 µ A/m nach dem RFQ), Stabilität (stetige Strahldynamik bei Strahlfehlanpassung und Berücksichtigung von mechanischen und optischen Toleranzen), Anlagensicherheit ("Hands-on-Kriterium") und -zuverlässigkeit (Anlagenverfügbarkeit > 80 %) bei hoher HF-Effizienz (optimierte Shuntimpedanzen, Laufzeitfaktoren und Oberflächenstromdichten) genügen. Es wurden exemplarisch im Rahmen von zwei aktuellen Hochstromprojekten mit Dauerstrichbetrieb teilchendynamische DTL-Entwürfe für den mittleren Energiebereich (0.1 = ß = 0.34) durchgeführt: einmal für das ADS/XADS Projekt (Hier: 40 mA, 350/700 MHz 24 MW, Protonen, CW) und als extremes Beispiel das IFMIF Projekt (125 mA, 175 MHz, 5 MW, Deuteronen, CW). Da IFMIF hinsichtlich Transmissionseffizienz und Strahlstrom in Verbindung mit einem 100 %-Tastverhältnis wohl einzigartig ist, mussten besonders intensive Anstrengungen für den Test der Robustheit des teilchendynamische Entwurfs der DTL-Strukturen unternommen werden. Hierzu wurde der gesamte Injektorpart vom Eingang des Referenz Four-Vane-RFQ bei 0.1 MeV bis zum Ausgang des DTL bei 40 MeV als ganzes simuliert, unter Einbeziehung von optischen, HF- und mechanischen Toleranzen. Diese Rechnungen machten deutlich, dass die Einbringung einer kompakten Strahltransportstrecke (MEBT) zwischen RFQ und DTL notwendig ist, um den Strahl transversal und longitudinal ohne Teilchenverluste an den nachfolgenden DTL anzupassen. Man gewinnt dadurch auch zusätzliche Möglichkeiten für Strahljustierung und -diagnose. Infolgedessen gehört ein MEBT mittlerweile zum Referenz-Design, welches einen 175 MHz Four-Vane-RFQ als Vorbeschleuniger vorsieht und nach dem MEBT einen 175 MHz Alvarez-DTL mit FoDo-Fokussierschema. Die Designkriterien für IFMIF gelten uneingeschränkt auch für das ADS/XADS Projekt und infolgedessen wurde ebenfalls erstmals eine Auslegung des Mittelenergieabschnitts des ADS/XADS-Beschleunigers, der unmittelbar nach dem 350 MHz RFQ bei 5 MeV anfängt und bis ~ 100 MeV reicht, mit der neuen supraleitende CH-Struktur unternommen. Der Hochenergiebereich von 100 MeV bis 600 MeV wird im Referenzentwurf mit den bereits bewährten supraleitenden elliptischen Kavitäten mit einer Resonanzfrequenz von 700 MHz abgedeckt [ADS]. Die umfangreichen Untersuchungen inklusive Toleranzabschätzungen ergaben, dass eine Kette von zehn supraleitenden CH-Resonatoren mit Zwischentankfokussierung (Ausnahme das Modul 1) für diese Anwendung bestens geeignet ist. Des weiteren ergab sich, dass ein Frequenzsprung auf 700 MHz nach dem 6-ten CH-Modul bei einer Energie von ~ 56 MeV die Beschleunigungs- und HF-Effizienz erhöht. Außerdem wird dadurch der Strahl ideal an den Hochenergieabschnitt angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Driftröhrenlinearbeschleunigerstrukturen vorgestellt (normal leitender IH-DTL, supraleitender CH-DTL), die für bis zu 10 MW Strahlleistung, 125 mA Strahlstrom und höchsten Tastverhältnissen geeignet sind. Ferner konnte durch geschickte Wahl der Strukturparameter und Arbeitspunkte eine gute Teilchendynamik mit einem moderaten Emittanzwachstum erzielt werden: Strahltransport und -beschleunigung ohne Teilchenverluste, starke transversale und longitudinale Fokussierung, große Aperturfaktoren und höchste HF-Effizienz sind gleichzeitig erreichbar. Somit stellen die neuen H-Moden Driftföhrenbeschleuniger vor allen Dingen in der supraleitenden Ausführung (CH-DTL) eine tragfähige Basis für alle weiteren geplanten Hochintensitätsbeschleunigeranlagen dar.
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Metadaten
Author:Andreas Sauer
URN:urn:nbn:de:hebis:30-0000002912
Referee:Horst Klein
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2003/10/02
Year of first Publication:2003
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2003/06/24
Release Date:2003/10/02
HeBIS PPN:114113424
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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