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Holger Liebermann

• Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des Prototypen einer supraleitenden CH-Beschleuniger-Struktur. Viele zukünftige Beschleunigeranlagen benötigen ein hohes Tastverhältnis bis hin zum so genannten cw-Betrieb. Dies würde bei normalleitenden Beschleunigern zu sehr großer Wärmeentwicklung führen, welche durch aufwendige Verfahren weggekühlt werden müsste. Da dies meistens gar nicht mehr möglich ist, kommen in solchen Bereichen heutzutage schon häufig supraleitende Beschleuniger zum Einsatz. Große Projekte, die im Hochenergiebereich auf die Supraleitung setzten, sind die SNS Beschleunigeranlage in Oak Ridge (Inbetriebnahme läuft) und das RIA-Projekt, welches radioaktive Isotope beschleunigen soll. Auch zukünftige Projekte, wie ein cw-Linac zur SHE-Synthese, EUROTRANS und IFMIF, sind ohne supraleitende Komponenten nur schwer vorstellbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die anderen zur Familie der so genannten H-Moden-Beschleuniger gehörenden Resonatoren kurz vorgestellt. Danach wurde eine Einführung in die Supraleitung mit den wichtigsten Parametern für Niob und den HF-Eigenschaften von Supraleitern gegeben. Um Beschleuniger zu charakterisieren wurde in einem weiteren Kapitel ein überblick über wichtige Kenngrößen gegeben. Dabei wurde auch ein Vergleich der Skalierung von verschiedenen Parametern zwischen Normalleitung und Supraleitung gegeben. Da die Simulationsrechnungen mit dem Programm CST MicroWave Studio durchgeführt wurden, wurden die Grundlagen dieses Programms ebenfalls eingeführt. Es basiert auf der Finiten Integrationstheorie, welche die Maxwell-Gleichungen in eine Zwei-Gitter-Matrixform überführt, damit diese numerisch gelöst werden können. In einem weiteren Kapitel wurde eine Methode zur Bestimmung der Einkopplungsstärke in einen Resonator näher beschrieben. Dabei wurde auf zwei wesentliche Einkopplungsarten, die induktive und die kapazitive, im Detail eingegangen. Die Bestimmung der so genannten externen Güte stellt einen wesentlichen Punkt dar, um die Leitung, die durch einen Sender und Verstärker zur Verfügung gestellt wird, möglichst optimal in den Beschleuniger einzuführen. Wobei auch hierbei wieder auf die Unterschiede zwischen einer Einkopplung in einen normalleitenden und einen supraleitenden Beschleuniger eingegangen wurde. Bei einer supraleitenden Struktur erfolgt die Einkopplung in der Regel überkoppelt. Dies bedeutet, dass man durch zu starke Einkopplung die belastete Güte des Systems herabsetzt, damit eine bessere Regelung möglich ist. Um eine numerische Methode auf ihre Tauglichkeit hin zu testen, wurde zuerst eine Pillbox genommen, um die simulierten Ergebnisse mit einer Messung zu vergleichen. Als sich dabei sehr gute Ergebnisse herausstellten, wurde die Methode noch an einem Kupfermodell einer CH-Struktur verifiziert, bevor die Einkopplung für den supraleitenden Prototyp berechnet wurde. Im 7. Kapitel dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen, die vorher geschaffen wurden, für die Optimierung des Prototyps der supraleitenden CH-Struktur angewendet. Dabei ging es um die Optimierung der Feldverteilung auf der Strahlachse durch Anpassung des Endzellendesigns, der Stützenoptimierung, um die magnetischen und elektrischen Spitzenfelder zu reduzieren, einer Untersuchung des Quadrupolanteils in den Spalten der CH-Struktur, der Einkopplung und schließlich um die Möglichkeit des statischen Tunings während der Fertigstellung der Struktur. Auf Grund dieser Untersuchungen wurde schließlich die Fertigstellung eines ersten supraleitenden Prototyps bei der Firma ACCEL in Bergisch-Gladbach in Auftrag gegeben. Diese Struktur wurde in mehreren Kalttests untersucht. Dabei konnten die vorher durch die Simulation festgelegten Designparameter sehr gut verifiziert werden. In den beiden letzten Kapiteln wurden noch Simulationen für eine im Betrieb befindliche Beschleunigeranlage durchgeführt und ein Ausblick auf mögliche Einsatzgebiete der supraleitenden CH-Struktur gegeben. Die durchgeführten Optimierungen für den Hochstrominjektor führten zu einem stabileren Betrieb der Anlage. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass die neuentwickelte CH-Struktur für den Einsatz in supraleitenden Beschleunigern sehr gut geeignet ist. Sie stellt eine sehr kompakte Struktur dar und bietet somit auf kurzer Stecke eine hohe Beschleunigung. Sie ist im Bereich von 10-30% Lichtgeschwindigkeit die einzige supraleitende Vielzellenstruktur.
• This work deals with the development of the prototype of a superconducting CH accelerator structure. Many future accelerator facilities require a high duty cycle up to the so-called cw mode.Large projects in the field of high-energy on the set superconductivity, the SNS accelerator facility in Oak Ridge (commissioning runs) and the RIA project, which should accelerate radioactive isotopes. Even future projects, like a cw Linac to SHE synthesis, EUROTRANS and IFMIF are without superconducting components are difficult to imagine. As part of this work was the first to the family of the other so-called H-modes accelerator belonging resonators briefly presented. It was an introduction to the superconductivity with the main parameters for niobium, and the RF properties of superconductors. In order to characterize accelerator was another chapter in an overview of important characteristics. It was also a comparison of the scale of various parameters between normalconductivity and superconductivity. Since the simulations were calculated with the program CST Microwave Studio, the foundations of this program were also introduced. It is based on the finite integration theory, which the Maxwell equations in a two-grid matrix form convicted so they can be solved numerically. In another chapter, a method for determining the coupling strength will be discussed.The determination of the so-called external quality is a major point to the line, with a transmitter and amplifier is made available in the best possible accelerator. But, again, back to the differences between a coupling in a normally in a superconducting accelerator has been received. With a superconducting structure, the coupling usually overcoupled. This means that due to the strong coupling loads reduce the quality of the system, so that a better arrangement is possible. To a numerical method to their suitability to test a pillbox was first taken to the simulated results with a measure to compare. When very good results poudarjanjem, the method was still in a copper model of a CH-structure verified before the coupling for the superconducting prototype has been calculated. In the 7th Chapter of this work were the conditions that previously were created for the optimization of the prototype of the superconducting CH structure. It was for the optimization of the field distribution on the beam axis by adjusting the endcell-design, optimization of support for the magnetic and electric fields, leading to reduce the quadrupole component that are investigate by the columns of the CH-structure, the coupling and, finally, the possibility of static tuning during the completion of the structure. On the basis of these investigations was the completion of an initial prototype superconducting at the company ACCEL in Bergisch Gladbach commissioned. This structure has been cold in several tests. It was previously set by the simulation design parameters very well verified. In the last two chapters were simulations for an operation accelerator facility, and a look at possible areas of the superconducting CH-structure. The optimizations performed for the high power injector led to a more stable operation of the plant. Through this work could be shown that the newly-CH structure for use in superconducting accelerators very well suited. It is a very compact structure, and so on short length were will be a high acceleration. She is in the range of 10-30% of the speed of light, the only multicell superconducting structure.