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The first part of this work addresses the automatic online tuning of transfer lines in particle accelerator facilities. In the second part the focus lies on the automatic construction and optimisation of such transport lines. It can be shown that genetic algorithms can be used very well for optimisation in both cases. Automatic online tuning can be performed very efficiently at accelerators under certain boundary conditions and is particularly well suited for initial beam commissioning with low intensity pilot beams. The construction of transfer lines can also be formulated and solved as an minimisation problem with an adopted parameterisation. Thereby, both the imaging properties of the beam transport and the robustness against error studies can be optimised at the same time.
This dissertation presents the development of a new radio frequency quadrupole (RFQ) structure of the 4-rod type with an operating frequency of 108 MHz for the acceleration of heavy ions with mass-to-charge ratios of up to 8.5 at high duty cycles up to CW operation ("continuous wave") at the High Charge Injector (HLI) of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt.
The need to develop a completely new RFQ for the HLI arises from the fact that with the previously designed and built 4-rod RFQ structure, which was commissioned at the HLI in 2010 as part of the planned HLI upgrade program, the desired operating modes in both pulsed and CW operation could not be achieved even after several years of operating experience and considerable efforts to eliminate or at least mitigate the severe operational instabilities. Mechanical vibrations of the electrodes, which result in strong modulated power reflection, as well as the high thermal sensitivity proved to be particularly problematic.
In addition to the RF design of the new RFQ by simulations performed with the CST Microwave Studio software, the focus of the investigations fell on the mechanical analysis of vibrations on the electrode rods caused by RF operation, for which the ANSYS Workbench software was used. Due to the high thermal load of the RFQ structure of more than 30 kW/m in CW operation, an accurate analysis of the thermal effects on electrode deformation as well as resulting frequency detuning of the resonator is also required, which was investigated by simulations within the capabilities of CST Mphysics Studio.
Based on the results of the design studies carried out by simulations and the thereby achieved design optimizations, a 4-rod RFQ prototype with 6 stems was finally manufactured, on which most of the properties expected from the simulations could be validated by measurements of the RF characteristics as well as of the vibration behavior.
Finally, based on the results of the pre-tests and considering a newly developed beam dynamics concept, a completely revised RF design for a new full-length HLI-RFQ was derived from the prototype design.
Als Plasmafenster wird ein Aufbau bezeichnet, welcher zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke voneinander trennt, Teilchenstrahlen jedoch nahezu verlustfrei passieren lässt.
Diese Anwendung einer kaskadierten Bogenentladung wurde von A. Hershcovitch vorgeschlagen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solches Plasmafenster mit Kanaldurchmessern von 3.3 mm und 5.0 mm aufgebaut sowie die erreichbaren Druckunterschiede untersucht.
Auf der Bestimmung des Einflusses der Plasmaparametern und deren Abhängigkeit von äußeren Parametern auf die erreichbare Trennung der Druckbereiche liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.
Ein ausgeklügeltes optisches System ermöglicht die simultane Aufnahme mehrerer Spektren entlang der Entladungsachse, welche die gleichzeitige Bestimmung der Elektronendichte und -temperatur ermöglichen.
Für die Analyse der Plamaparameter aus über 6700 Spektren wird eine selbst entwickelte Software genutzt.
Die gemessenen Elektronendichte reicht von 8e14 cm^-3 bis zu 4.2e16 cm^-3.
Sie skaliert sowohl mit der Entladungsstromstärke als auch dem Teilchenfluss.
Für die Elektronentemperatur stellen sich Werte zwischen 1 eV und 1.3 eV ein, sie variiert nur leicht mit der Stromstärke und dem Teilchenfluss.
Wie später gezeigt wird, stimmen die hier präsentierten Daten gut mit Ergebnissen aus Simulationen und Experimenten anderer Arbeitsgruppen überein.
Als Betriebsgas wurde eine 98%Ar-2%H2 Mixtur genutzt, da die Stark-Verbreiterung der H-beta-Linie sowie die physikalischen Eigenschaften von Argon gut beschrieben sind und somit eine akkurate Elektronendichte- und -temperaturbestimmung ermöglichen.
Während die Drücke auf der Niederdruckseite einigen mbar entsprechen, werden auf der Hochdruckseite Drücke bis zu 750 mbar bei Teilchenflüsse zwischen 4.5e20 s^-1 und 18e20 s^-1 sowie Stromstärken von 45 A bis 60 A erreicht.
Die erzielten Druckverhältnisse entsprechen Werten zwischen 40 und 150, was eine Steigerung um einen Faktor von bis zu 12 gegenüber dem Druckverhältnis einer einfachen differentiellen Pumpstufe entspricht.
Zusätzlich zur Trennung der Druckbereiche kann am vorgestellten Experiment die Starkverbreiterung von Emissionslinien untersucht werden.
Vorteilhaft gegenüber anderen Aufbauten ist hier die Möglichkeit, zeitgleich Spektren unterschiedlicher Elektronendichten aufzunehmen.
Die entwickelte Software ist in der Lage, akkurate Halbwertsbreiten zu bestimmen und daher für eine solche Anwendung gut geeignet.
Alleinstellungsmerkmale dieses Aufbaus sind unter anderem die angesprochene Möglichkeit der simultanen Bestimmung von Plasmaparamertern und Linienverbreiterungen sowie der Verzicht auf Keramikisolatoren zwischen den Kühlplatten des Aufbaus.
Optische Analysen ergaben keine signifikante Schädigung der Bestandteile des Aufbaus nach einer Betriebsdauer von über 10 h; einzig die Kathodenspitzen müssen alle 5 h ausgetauscht werden.
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden eine Master- sowie Bachelorarbeit betreut und erfolgreich zum Abschluss gebracht.
Wie im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, ist das entwickelte Plasmapfenster in der Lage, zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke zu trennen und diese Trennung sicher aufrecht zu erhalten.
Die zugrundeliegenden Plasmaparameter sind erforscht und ihr Einfluss auf die Trennungseigentschaft des Plasmafensters beschrieben.
Als nächsten Schritt bietet sich die Erschließung technischer Einsatzmöglichkeiten des Plasmafensters an, so könnte dieses als Plasmastripper oder zum Schutz einer Beschleunigerstruktur vor durch Kollisionsexperimente entstandene radioaktive Isotope oder Sekundärteilchen.
Entwicklung und Inbetriebnahme zweier supraleitender 217 MHz CH-Strukturen für das HELIAC-Projekt
(2019)
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden zwei baugleiche CH-Strukturen für das im Bau befindliche HELIAC-Projekt (HELmholtz LInear ACcelerator) entwickelt und während der Produktion bis hin zu den finalen Kalttests bei 4.2 K begleitet. Zusammen mit der CH-Struktur des Demonstrator-Projektes ermöglichen sie die vollständige Inbetriebnahme und den ersten Strahltest des ersten Kryomoduls des HELIAC's, welcher aus vier Kryomodulen mit insgesamt 12 CH-Strukturen besteht. Im Vergleich zu bisherigen CH-Strukturen wurde das Design der Kavitäten im Rahmen dieser Dissertation grundlegend überarbeitet und optimiert. Durch die Entfernung der Girder und die konisch geformten Endkappen konnte die Stabilität der neuen CH-Strukturen deutlich erhöht werden, sodass die Drucksensitivität im Vergleich zur ersten CH-Kavität des Demonstrator-Projektes um ca. 80% reduziert werden konnte. Durch die nach außen gezogenen Lamellen der dynamischen Tuner konnte die mechanische Spannung sowie die benötigte Anzahl an Lamellen und damit das Risiko für das Auftreten von Multipacting reduziert werden. Das verringerte Risiko für Multipacting durch die entsprechenden Optimierungen der Kavitäten konnte durch die dauerhafte Überwindung aller Multipacting-Barrieren in den späteren Messungen verifiziert werden. Die Optimierung beider Kavitäten erfolgte dabei mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench.
Beide Kavitäten wurden von der Firma Research Instruments (RI) gefertigt und während der gesamten Konstruktion durch diverse Zwischenmessungen überwacht. Nach jedem einzelnen Produktionsschritt wurden alle Einflüsse auf die Resonanzfrequenz so präzise ermittelt, dass die Zielfrequenz bei 4.2 K auf mehr als 1‰ genau erreicht werden konnte. Sowohl während der Zwischenmessungen als auch während den finalen Messungen bei 4.2 K wurden automatisierte Aufzeichnungsroutinen verwendet, welche eine sekundengenaue Auslese der Messdaten und damit eine hohe Messgenauigkeit ermöglichten. Im Hinblick auf die Komplexität der CH-Strukturen sind die geringen Abweichungen von der Zielfrequenz der direkte Beweis dafür, wie erfolgreich und präzise die Auswertungen und daraus folgenden Abschätzungen der einzelnen Zwischenmessungen waren. Insgesamt konnten bis auf die mechanischen Eigenmoden alle Ergebnisse der Simulationen durch entsprechende Messungen in guter Näherung verifiziert werden. In jeder Kavität wurden zwei dynamische Tuner verbaut, welche statische und dynamische Frequenzabweichungen im späteren Betrieb ausgleichen können. Die dynamischen Tuner wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und der erzeugbaren Frequenzänderung sowie ihrer mechanischen Eigenfrequenzen ausführlich mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench untersucht und optimiert. Um die Ergebnisse der Simulationen zu überprüfen wurden ein eigens dafür entworfener und in der Werkstatt des Instituts für Angewandte Physik gefertigter Messaufbau verwendet, welcher es ermöglichte alle entscheidenden Eigenschaften der dynamischen Tuner präzise zu vermessen. Insgesamt stellen die ausführlichen Messungen mit Hilfe des entworfenen Aufbaus die bisher umfassendsten Messungen dynamischer Balgtuner innerhalb supraleitender CH-Strukturen dar und zeigen, mit welchen Abweichungen zwischen Simulationen und Messungen bei zukünftigen Kavitäten zu rechnen ist. Auch die Feldverteilung entlang der Strahlachse wurde während der Produktion der Kavitäten mit Hilfe der Störkörpermessmethode überprüft. Die dadurch ermittelten Werte stimmten mit einer maximalen Diskrepanz von 9% sehr gut mit den Simulationen überein.
Um eine möglichst gute Oberflächenqualität zu garantieren wurden an der Innenfläche beider Strukturen mindestens 200µm mit einer Mischung aus Fluss-, Salpeter und Phosphorsäure in mehreren Schritten abgetragen. Durch das Aufteilen der Behandlung in einzelne Schritte konnte der Einfluss der Oberflächenbehandlung auf die Resonanzfrequenz besser abgeschätzt und vorausgesehen werden. Dies führte, zusammen mit den Messungen zur Bestimmung der Drucksensitivität und der thermischen Kontraktion der Kavität beim Abkühlen, zu der hohen Übereinstimmung der gemessenen finalen Resonanzfrequenz mit der Zielfrequenz.
Die abschließenden Kalttests der beiden Kavitäten, ohne Heliummantel, wurden am Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe Universität in einem vertikalen Bad-Kryostaten durchgeführt. Die erste CH-Struktur konnte erfolgreich bis zu einem maximalen Feldgradienten von 9.2 MV/m getestet werden, was einer effektiven Spannung von 3.37 MV entspricht. Die unbelastete Güte fiel dabei von anfangs 1.08 ∙ 109 auf 2.6 ∙ 108 ab. Die Vorgaben des HELIAC-Projektes liegen bei einem Beschleunigungsgradienten von 5.5 MV/m mit einer unbelasteten Güte von mindestens 3 ∙ 108. Diese Werte wurden von der ersten Kavität deutlich übertroffen, sodass sie für den Betrieb innerhalb des ersten Kryomoduls uneingeschränkt verwendet werden kann.
Bei der zweiten Kavität trat beim Abkühlen auf 4.2 K ein Vakuumleck auf, welches unter Raumtemperatur nicht detektierbar war. Aufgrund der schlechten Vakuumbedingungen innerhalb der Kavität konnten somit keine Messungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit durchgeführt werden, solange das Kaltleck vorhanden war. Ein erneuter Kalttest der Kavität nach Beseitigung des Lecks konnte zeitlich nicht mehr im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt werden und ist aus diesem Grund Gegenstand nachfolgender Untersuchungen.
Insgesamt stellen die Entwicklungen, Untersuchungen und Messungen im Rahmen der hier vorgestellten Dissertation einen entscheidenden Schritt zur Inbetriebnahme des ersten Kryomoduls des HELIAC's sowie der Entwicklung weiterer CH-Kavitäten dar. Das überarbeitete Design der CH-Strukturen hat sich als erfolgreich erwiesen, weswegen es als Ausgangspunkt für die Entwicklung aller nachfolgenden CH-Strukturen des HELIAC, bis hin zur Fertigstellung des kompletten Beschleunigers, verwendet wird.
Development of the timing system for the Bunch-to-Bucket transfer between the FAIR accelerators
(2017)
The FAIR project is aiming at providing high-energy beams of ions of all elements from hydrogen to uranium, antiprotons and rare isotopes with high intensities. The existing accelerator facility of GSI and the future FAIR facility employ a variety of circular accelerators like heavy ion synchrotrons (SIS18 and SIS100) and storage rings (ESR, CRYRING, CR and HESR) for the preparation of secondary beams and experiments. Bunches are required to be transferred into rf buckets among GSI and FAIR ring accelerators for different purposes. Without the proper transfer, the beam will be subject to various beam quality deterioration and even to beam losses. Hence, the proper bunch-to-bucket (B2B) transfer between two rings is of great importance for FAIR and is the topic, which has been investigated in this thesis.
These circular accelerators of GSI and FAIR have different ratios in their circumference. For example, the circumference ratio between SIS100 and SIS18 is an integer and between SIS18 and ESR is close to an integer and between CR and HESR is far away from an integer. The ring accelerators are connected via a complicated system of beam transfer lines, targets for the secondary particle production and the high energy separators mentioned above. For FAIR, not only the primary beams are required to be transferred from one ring to another, but also the secondary beams, e.g. the antiproton or rare isotope beams produced by the antiproton (pbar) target, the fragment separator (FRS) or the superconducting fragment separator (Super-FRS). An important topic for this system of accelerators is the proper transfer of beam between the different circular accelerators. Bunches of one ring must be transferred into buckets of another ring within an upper bound time constraint (e.g. 10 ms for most FAIR use cases) and with an acceptable B2B injection center mismatch +-1 degree for most FAIR use cases). Hence, a flexible FAIR B2B transfer system is required to realize the different complex B2B transfers between the FAIR rings in the future. In the focus of the system development and of this thesis is the transfer from SIS18 to SIS100, which can be tested at GSI on the transfer from SIS18 to ESR and from ESR to CRYRING. The system is based on the existing technical basis at GSI, the low-level radio frequency (LLRF) system and the FAIR control system. It coordinates with the Machine Protection System (MPS), which protects SIS100 and subsequent accelerators and experiments from damage caused by high intensity primary beams in case of malfunctioning. Besides, it indicates the beam status and the actual beam injection time for the beam instrumentation and diagnostics.
The conceptual realization of the FAIR B2B transfer system was introduced in this thesis for the first time. It achieves the most FAIR B2B transfers with a tolerable B2B injection center mismatch (e.g. +-1 degree) and within an upper bound time (e.g. 10 ms). It supports two synchronization methods, the phase shift and frequency beating methods. It is flexible to support the beam transfer between two rings with different ratios in their circumference and several B2B transfers running at the same time, e.g. the B2B transfer from SIS18 to SIS100 and at the same time the B2B transfer from ESR to CRYRING. It is capable to transfer beam of different ion species from one machine cycle to another and to transfer beams between two rings via the FRS, the pbar target and the Super-FRS. It allows various complex bucket filling pattern. In addition, it coordinates with the MPS system, which protects the SIS100 and subsequent accelerators or experiments from beam induced damage.
A list of criteria for the preservation of beam qualities during the rf frequency modulation of the phase shift method was analyzed. As an example the beam reaction on three different rf frequency modulation examples were analyzed for SIS18 beams. According to the beam dynamic analysis, there is a maximum value for the rf frequency modulation. The first derivative of the rf frequency modulation must be continuous and small enough and the second derivative must be small enough.
In addition to the analysis from the viewpoint of beam dynamics, two test setups were built. The first test setup was used to characterize the FAIR timing network – white rabbit network for the B2B transfer. In the second test setup, the firmware of the FAIR B2B transfer system was evaluated, which was running on the soft CPU, LatticeMico32, of the Scalable Control Unit - the FAIR standard Front End Controller. Besides, the boundary conditions of the different trigger scenarios of the SIS18 extraction and SIS100 injection kicker magnets were investigated. Finally, the application of the FAIR B2B transfer system for all FAIR use cases was demonstrated.
The dissertation plays a significant important role for the realization of the FAIR B2B transfer system and the further practical application of the system to all FAIR use cases.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze zur Optimierung eines Alvarez Beschleunigers für Schwerionen untersucht. Dabei dient die Alvarez-Sektion des GSI UNILAC als Untersuchungsfeld, da für den Injektionsbetrieb für FAIR eine Erneuerung dieser Sektion erforderlich ist. Dies wird durch einen neuen und optimierten Alvarez-Beschleuniger gewährleistet, wobei Effizienz und Feldstabilität sowie hohe Verfügbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit wichtige Simulationsrechnungen durchgeführt, ein Messaufbau zum experimentellen Test eines neuartigen Konzepts zur Feld-Stabilisierung ausgelegt, in Betrieb genommen und anhand von Messungen an einem speziell dafür entwickelten Resonatormodell verifiziert.
Ziel dieser Arbeit war es die experimentelle Demonstration des neuen Konzepts zur Feldstabilisierung eines Resonators. Es sollte geprüft werden, ob die zuvor durchgeführten Simulationen die realen Felder hinreichend zuverlässig vorhersagen. Diese experimentelle Prüfung ist angesichts der sehr hohen Baukosten eines realen Resonators von mehreren Millionen Euro unerlässlich. Vor Beginn dieser Arbeit war ein geeigneter Messaufbau, d.h. im Wesentlichen ein dediziertes Resonator-Modell, nicht verfügbar. Es galt ein Modell zu entwickeln, dessen Geometrie seht gut durch Simulationen modelliert werden kann, dessen Aufbau es aber trotzdem gestattet, eben diese Geometrie lokal zu variieren, um den angestrebten Effekt der Feld-Stabilisierung zu erreichen.
Aufgrund von Fertigungs- sowie Justage-Toleranzen gibt es Störungen der Feldhomogenität auf der Strahl- bzw. Resonatorachse. Die Feldhomogenität quantifiziert die Fluktuationen der tatsächlichen Feldstärke bezüglich des Idealwertes. Ein perfekt homogenes Feld weist keine Abweichungen auf. Bei einer lokalen Störung ist die Feldveränderung am Ort der Störung maximal und verringert sich mit dem Abstand von dieser. Es entsteht eine Verkippung des Feldes. Die Feldverkippung ist definiert als die durch die Störung verursachte Feldabweichung normiert auf die ungestörte Feldverteilung sowie auf die damit verbundene Änderung der Modenfrequenz. Letztere wird mit Tauchkolben kompensiert; die Feldhomogenität allerdings kann nicht wieder hergestellt werden. Die Feldhomogenität muss durch eine andere Maßnahme sichergestellt werden. Bei Alvarez-Kavitäten mit einem Tankradius R < 0,4m werden „post-coupler“ eingesetzt. Post-coupler sind dünne zylinderförmige Kupferstangen die seitlich an die Driftröhren herangefahren werden und an die Resonanzmode des Beschleunigers koppeln. Gleichzeitig wird die Sensibilität auf Störungen im Tank verringert, sodass die homogene Feldverteilung auch bei Störungen gut erhalten bleibt. Bei Beschleunigerstrukturen mit größeren Tankradien werden die post-coupler zu lang und erfordern einen zu großen Aufwand in der Konstruktion. In dieser Arbeit wurde eine alternative Methode für die Stabilisierung der Feldverteilung untersucht, welche die Winkelposition der Driftröhrenstützen nutzt.
Der in dieser Arbeit realisierte Resonator erlaubt die freie Einstellung der Winkel der Stützen sowie die exakte Justage der Driftröhren auf der Strahlachse. Es wurde ein Aluminium-Modell im Maßstab 1:3 zum realen Alvarez-Resonator gebaut. Dieser hatte zunächst eine Länge von ∼ 525mm und neun Driftröhren. Das Modell ist mit einem Profil der Geschwindigkeit der zu beschleunigenden Ionen ausgestattet, sodass die Driftröhren sowie die Spaltabstände entlang des Resonators länger werden. Mittels Simulationen wurden diverse Stützenkonfigurationen ausgewählt, die in den Messungen getestet wurden.
Mit dem Modell konnte gezeigt werden, dass bei bestimmten Stützenanordnungen die nächst höheren Moden weiter von der Betriebsmode entfernt werden können. Die besten Ergebnisse lieferte die Stützenkonfiguration mit fünf nach unten und vier nach oben orientierten Stützenpaaren (V-Stützen-Konfiguration 5+4). Hier liegt die nächst höhere Mode in den Messungen um mehr als 160MHz von der Grundfrequenz (326,7MHz) entfernt (Vergleich originale V-Stützen-Konfiguration: nächste Mode liegt 88MHz von der Grundmode entfernt). Wichtig ist die Eigenschaft der Modenseparation vor allem für den realen Einsatz der Kavität, da hier die Moden nur um wenige MHz voneinander entfernt liegen und dies zu Störungen im Betrieb des Resonators bei hoher HF-Leistung führen kann. Bei ungenügender Modenseparation wird die eingekoppelte HF-Leistung vom Resonator reflektiert. Mitunter können die erforderlichen Felder der Betriebsmode nicht erzeugt werden.
Im Falle einer Feldverkippung stimmt die reale Ionengeschwindigkeit entlang des Tanks nicht mehr mit der bei der Auslegung angenommenen überein. Das führt zu einer Verringerung der longitudinalen Strahlqualität bezüglich der erreichbaren Energieschärfe.
Zur systematischen Prüfung der Methode zur Feldstabilisierung wurden definierte Störungen in den Tank eingebaut. Die erste Driftröhre wurde jeweils um 1, 2 und 3mm verlängert. Da die Zahl der Zellen zu gering war für die statistisch signifikante Feldverkippungs-Messung, musste das Modell auf 21 Spalte erweitert werden. Die besten Ergebnisse bzgl. Feld-Stabilisierung lieferte die V-Stützen-Konfiguration 7+7+6. Hier bleibt das Feld trotz Störstelle homogen. Die Feldverkippung kann auf weniger als die Hälfte derjenigen der originalen V-Stützen-Konfiguration reduziert werden. Für den Fall der originalen Stützenkonfiguration erzeugt die oben beschriebene Störung eine Abweichung der Feldhomogenität von ±28%. Mit der in dieser Arbeit optimierten Stützenkonfiguration verändert sich die Feldhomogenität nur um ±9%.
Die Methode zur Feldstabilisierung mit einer optimierten Stützenanordnung ohne den Einsatz von post-couplern konnte am Modell gezeigt werden. Weiterhin wurde eine bessere Effizienz mit Zunahme der Tanklänge verifiziert. Im realen Alvarez-Tank wird die Anzahl der Spalte um einen Faktor 3 größer sein. Damit ergeben sich durch die erhöhte Anzahl zur Verfügung stehenden Stützen zusätzliche Konfigurationen, um eine Feldhomogenität von besser als ±1% zu gewährleisten.
Auf der Basis dieser Untersuchungen ist bei GSI der Bau einer zunächst ca. 2m langen Sektion des neuen Alvarez-DTL mit 11 Driftröhren vorgesehen. Dabei werden Flansche für verschiedene Stützenkonfigurationen integriert. Ziel ist es hierbei die Konstruktion, die Produktion, die Feldabstimmung sowie den Betrieb bei nominalen FAIR-Parametern zu testen. Sind die Tests erfolgreich, kommt diese Sektion bei der ersten Serie für den neuen Beschleuniger zum Einsatz.
The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest and most powerful particle accelerator in the world, designed to collide two proton beams with particle momentum of 7 TeV/c each. The stored energy of 362MJ in each beam is sufficient to melt 500 kg of copper or to evaporate about 300 litre of water. An accidental release of even a small fraction of the beam energy can cause severe damage to accelerator equipment. Reliable machine protection systems are necessary to safely operate the accelerator complex. To design a machine protection system, it is essential to know the damage potential of the stored beam and the consequences in case of a failure. One (catastrophic) failure would be, if the entire beam is lost in the aperture due to a problem with the beam dumping system.
This thesis presents the simulation studies, results of a benchmarking experiment, and detailed target investigation, for this failure case. In the experiment, solid copper cylinders were irradiated with the 440GeV proton beam delivered by the Super Proton Synchrotron (SPS) at the High Radiation to Materials (HiRadMat) facility at CERN. The experiment confirmed the existence of the so-called hydrodynamic tunneling phenomenon for the first time. Detailed numerical simulations for particle-matter interaction with FLUKA, and with the two-dimensional hydrodynamic code, BIG2, were carried out. Excellent agreement was found between the experimental and the simulation results that validate predictions for the 7TeV beam of the LHC. The hydrodynamic tunneling effect is of considerable importance for the design of machine protection systems for accelerators with high stored beam energy. In addition, this thesis presents the first studies of the damage potential with beam parameters of the Future Circular Collider (FCC).
To detect beam losses due to fast failures it is essential to have fast beam instrumentation. Diamond based particle detectors are able to detect beam losses within a nanosecond time scale. Specially designed diamond detectors were used in the experiment mentioned above. Their efficiency and response has been studied for the first time over 5 orders of bunch intensity with electrons at the Beam Test Facility (BTF) at INFN, Frascati, Italy. The results of these measurements are discussed in this thesis. Furthermore an overview of the applications of diamond based particle detectors in damage experiments and for LHC operation is presented.
Im Rahmen des FAIR Projektes wurde ein neuartiger Prototyp eines nicht strahlzerstörenden Bunch Struktur Monitors (BSM) am GSI UNILAC entwickelt. Ziel ist es, ein zuverlässiges Diagnosegerät zu entwickeln, welches die longitudinale Struktur der Ionenbunche innerhalb des LINACs untersuchen kann. Notwendig ist hierbei eine effektive Zeitauflösung deutlich unter 100 ps, bei möglichst wenigen Makropuls Mittelungen. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme soll der BSM Prototyp dazu dienen, die Umsetzbarkeit eines weiteren nichtinvasiven Geräts für den geplanten Proton-LINAC bei FAIR mit einer notwendigen Zeitauflösung von 10 ps zu beurteilen.
Die numerische Simulation von Materialien, welche dem Hochstrom-Ionenstrahl ausgesetzt sind, zeigten einen sehr hohen thermischen Stress. Daher wurde der Ansatz eines nicht strahlzerstörenden Diagnosegerätes verfolgt. Das Design beruht auf der Erzeugung von Sekundärelektronen durch Strahl-Restgas Kollisionen im Strahlrohr. Durch das Anlegen eines homogenen Hochspannungspotentials von bis zu -31 kV, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, welcher die zeitliche Struktur des Ionenbunches trägt. Die zeitliche Information des Elektronenstrahles wird beim Durchfliegen eines HF-Ablenkers, welcher resonant an die 36 MHz des Beschleunigers gekoppelt ist, in eine räumliche Intensitätsverteilung umgewandelt. Anschließend wird die Elektronenverteilung auf einem bildgebenden MCP-Phosphor-Detektor durch eine CCD-Kamera detektiert und in die Bunch Struktur überführt.
Intensive Untersuchungen der BSM Eigenschaften ergaben eine höchste Auflösung von 37 ±6.3 ps bei gleichzeitig akzeptabler Intensität auf dem MCP-Detektor. Unter anderem wurden auch stabile Einzelschussmessungen durchgeführt, welche für die Profilmessung nur einen einzelnen Makropuls benötigten, statt über typischerweise 8-32 Pulse zu mitteln.
Durch die systematische Manipulation der Bunchlänge durch einen Rebuncher sind nicht gaußförmige Profile von 280 ps bis 650 ps detektiert worden, welche als Studie für eine Emittanzbestimmung genutzt worden sind. In Abhängigkeit des Analyseverfahrens sind Werte von εGauss = 1.42 ±0.14 keV/u ns bis εSD = 3.03 ±0.33 keV/u ns für die Emittanz bestimmt worden.
Des Weiteren ist ein Finite-Elemente Modell erstellt worden, um die Zeitstruktur der Sekundärelektronen innerhalb des elektronenoptischen Systems zu bestimmen. Für das Setup mit der höchsten Auflösung von 37 ps ergab sich eine zusätzliche Zeitverbreiterung von 5.6 ps, welche nur geringfügig die experimentell bestimmte Auflösung verschlechtert.
Der nicht strahlzerstörende BSM liefert eine ausreichend hohe zeitliche Auflösung für detailreiche Untersuchung der longitudinalen Bunchstruktur, ohne negative Einflüsse auf den Ionenstrahl auszuüben. Fortgeschrittene Messungen, wie longitudinale Emittanzbestimmung und Makropulsanalysen, sind möglich und werden dazu beitragen, die LINAC Strukturen besser zu verstehen und weiter zu optimieren.
Obwohl bei der Umsetzung des Arbeitsprinzips für den geplanten Proton-LINAC die veränderten Strahlparameter berücksichtigt werden müssen, zeigen die Ergebnisse, wie die Zeitstrukturuntersuchung und die erreichte Phasenauflösung von 0.5° bei 36 MHz, dass zeitliche Auflösungen bei Aufrechterhaltung der Phasenauflösung von bis zu 10 ps für einen neuen BSM Prototypen möglich sind.
Am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, wird für die Erweiterung der Forschungsmöglichkeiten am Bau des FAIR Projektes gearbeitet. Hierfür wird unter anderem ein Ringbeschleuniger gebaut (SIS100), der mit 100Tm den bestehenden Ring (SIS18) in magnetischer Steifigkeit ergänzen wird. Um SIS100 an SIS18 anzubinden, wird eine Transferstrecke benötigt, welche den Transfer von Ionen zwischen den Ringen übernimmt. In solchen Transferstrecken werden Quadrupollinsen mit hohen Gradienten benötigt. Ebenso werden für die finale Fokussierung von hochintensiven Strahlpulsen aus Synchrotronen auf Targets Linsen mit hohen Feldgradienten benötigt. Allerdings sind die Pulse nur sehr kurz und das Tastverhältnis bei Synchrotronen sehr klein. Daher sollte ein gepulster Fokussiermagnet entwickelt werden, der den hohen Gradientenanforderungen gerecht wird und sowohl platz- als auch energiesparend ist. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung des elektrischen Schaltkreises, der Simulation des Magnetfeldes und der konstruktiven Umsetzung eines solchen gepulsten Quadrupols. Der elektrische Schaltkreis ist so ausgelegt, dass eine hohe Repetitionsrate zur Fokussierung für Teilchenpakete möglich ist. Die Linse wurde aus einer Luftspule ohne Eisenjoch aufgebaut. Die cos(2θ)-Verteilung des Stroms durch die Leiter wurde durch ein Design gesichert, welches den Skin-Effekt berücksichtigt und entsprechend ausgelegte Litzenkabel verwendet. Um die Magnetfeldverteilung des Fokussiermagneten zu untersuchen, wurden statische und transiente Simulationen mit dem Programm CST Mircowave Studio Suite vorgenommen. Zentraler Punkt bei der Neuentwicklung waren die Luftspulen. Um einen linearen Magnetfeldanstieg von der Strahlachse zum Aperturrand zu gewährleisten, muss die Stromverteilung in der Leiterspule so homogen wie möglich sein. Um bei Pulslängen von 170 µsec den Skineffekt zu berücksichtigen, wurde die Leiterspule aus HF-Litzen von je mehreren hundert Einzelleitern zusammengestellt, die jeweils gegeneinander isoliert und in Bündeln miteinander verdrillt sind. Außerdem wurde die Linse mit einer lamellierten Schirmung versehen, um das Magnetfeld effektiv nutzen zu können. Ziel der Auslegung war es, zusammen mit einem zweiten Quadrupol im Duplett einen Strahl mit einer magnetischen Steifigkeit von 11 Tm und einer Bunchlänge von 2µsec auf einen Punkt von 0,5 mm Radius zu fokussieren. Bei dem hierfür angestrebten Gradienten von 76 T/m wird eine maximale Stromamplitude von 400 kA benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Linse ausgelegt, konstruiert und gebaut. Die Funktionalität wurde untersucht und die Feldqualität wurde vermessen und zeigten die erwarteten Parameter. Bei 26 kA Messstrom wurden im Zentrum des Magneten ein maximaler Gradient von 4,5 T/m und Feldwerte von 0,11 T ermittelt. Somit liegt die Abweichung des gemessenen Gradienten bei ca. 5 %. Die durchgängige Umsetzung der homogenen Verteilung der Leiterbündel in der Luftspule und eine vollständige Kompensation des Skineffekts konnten nicht nachgewiesen werden. Jedoch konnte der Einfluss der Kabelzuleitung des Quadrupols auf den Magnetfeldverlauf in den Simulationen und Messungen nachgewiesen werden. Weiterhin wurde für den energieeffizienten Einsatz im Transferkanal zwischen SIS18 und SIS100 ein Energierückgewinnungsschaltkreis entwickelt, der eine Ersparnis von 84 % der Betriebsleistung ermöglicht.
Im Rahmen des FAIR Projekts sollen in den Ringbeschleunigern SIS18 und SIS100 Ionenstrahlen mit höchster Intensität beschleunigt werden. Um die Raumladungsgrenze zu erhöhen, werden dazu Ionen mit mittleren Ladungszuständen verwendet. Diese haben aber größere Wirkungsquerschnitte für Umladung in Wechselwirkungen mit im Strahlvakuum vorhandenen Restgasteilchen als hochgeladene Ionen. Kommt es zu Strahlverlusten, lösen die verlorenen Ionen am Auftreffort weitere Restgasteilchen von den Wänden des Strahlrohrs und erhöhen so lokal die Restgasdichte. Die Qualität des Vakuums ist deshalb für einen stabilen Strahlbetrieb essentiell.
Im SIS100 kommen kryogene Vakuumkammern zum Einsatz, deren Wände als Kryosorptionspumpen für Wasserstoff und Helium dienen und alle schwereren Restgaskomponenten durch Kryokondensation binden können. Um die Vorhersagegenauigkeit des abteilungsinternen Programms „StrahlSim“ zur Simulation des dynamischen Vakuums zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit das Saugvermögen und die Pumpkapazität für Wasserstoff auf einer Edelstahloberfläche untersucht.
Dazu wurde ein UHV Teststand entwickelt und aufgebaut. Dieser besteht aus einem warmen Diagnoseteil, mit dem der Gasfluss in und aus dem kalten Teil überwacht werden kann. Im kalten Teil befindet sich eine kleine Kammer mit Edelstahlwänden, für die verschiedene Temperaturen zwischen 7 und 31 K eingestellt werden können. Diese Kammer repräsentiert ein kleines Stück kryogenes Strahlrohr. Bei verschiedenen Temperaturen und Oberflächenbelegungen wurden dort jeweils das Saugvermögen und der sich einstellende Gleichgewichtsdruck im Bereich von 4E-11 bis 2E-7 mbar gemessen. Die Gleichgewichtsdrücke bei einer bestimmten Temperatur bei wachsender Oberflächenbelegung werden als Adsorptionsisotherme bezeichnet. Sie ergeben sich aus dem Gleichgewicht von thermisch desorbierenden Teilchen und deren Readsorption. Die kalte Kammer wird umgeben von einem Kryostaten, bestehend aus thermischem Schild und Außentank. Für diesen wurde die thermische Auslegung durchgeführt, die Konstruktion erfolgte extern.
Aus dem gemessenen Saugvermögen konnte die Haftwahrscheinlichkeit berechnet werden. Sie stellte sich als im Rahmen der Messgenauigkeit als unabhängig von Belegung und Temperatur heraus. Ihr Wert liegt nahe 1 mit einer Unsicherheit bis 0,1. Da sämtliche Oberflächen in den kryogenen Bereichen als Pumpen wirken, ist dieser Wert mehr als ausreichend um die für den stabilen Strahlbetrieb nötigen Vakuumbedingungen zu erreichen und stabil zu halten.
Die Isothermen hingegen sind stark von der Temperatur abhängig. Über 18 K liegen die Gleichgewichtsdrücke bereits bei minimalen Oberflächenbelegungen in für den Strahlbetrieb nicht tolerierbaren Bereichen. Mit sinkender Temperatur können die Oberflächen immer mehr Gas aufnehmen. Doch auch bei den tiefsten vermessenen Temperaturen zwischen 7 und 8 K ist ein stabiler Strahlbetrieb nur bei Belegungen von deutlich unter einer halben Monolage, etwa 5E14 Wasserstoffmoleküle pro cm², möglich.
Diese Ergebnisse wurden in StrahlSim implementiert. Zunächst wurde der Code für die Simulation von teilweise kryogenen Beschleunigern angepasst. Die wichtigste Änderung war die Einführung von thermischer Transpiration. Sie bewirkt, dass die Restgasteilchendichte an Kalt-Warm-Übergängen auf der kalten Seite erhöht ist. Mit dieser Änderung und den implementierten Ergebnissen aus den Messungen wurden Simulationen für das SIS100 durchgeführt. Mit den Isothermen konnten die bei verschiedenen Temperaturen und Bedeckungen zu erwartenden Durchschnittsdichten berechnet werden, die wiederum bestimmend für die Strahlverluste sind. Des Weiteren wurde ein mehrwöchiger Dauerbetrieb simuliert. Es zeigt sich zunächst eine Verschlechterung der Vakuumbedingungen auf Grund der langsamen Sättigung der Oberflächen. Diese verlangsamt sich aber immer mehr und stabilisiert sich bevor zu hohe Restgasdichten auftreten. Im schlechtesten Fall sind die kryogenen Oberflächen so weit gesättigt, dass sie genauso viele Gasteilchen thermisch desorbieren wie sie adsorbieren, sie also praktisch passiv sind. Auch dann wäre die Gleichgewichtsdichte im Beschleuniger noch tief genug, um Verluste durch Umladung hinreichend niedrig zu halten.
Als problematisch könnten sich hingegen dynamische Temperaturerhöhungen der Kammerwände erweisen. In diesem Fall stellt sich praktisch verzögerungsfrei der durch die neue Isotherme definierte Gleichgewichtsdruck ein, der auch bei wenigen Kelvin Temperaturunterschied bereits um mehrere Größenordnungen höher liegen kann. Sind Temperaturerhöhungen während des Betriebs zu erwarten, sollten die Oberflächen so frei wie möglich von Wasserstoff gehalten werden. Dazu kann man sich eben diesen Effekt zunutze machen: Durch temporäres Anwärmen der Oberflächen unmittelbar vor dem Strahlbetrieb können die Oberflächen schnell von Wasserstoff befreit werden, der dann von lokalisierten Pumpen aus dem System entfernt werden kann.