TY  - THES
A1  - Koser, Daniel
T1  - Development of a 108 MHz 4-Rod CW RFQ-design for high duty cycle acceleration of heavy ion beams at the GSI-HLI
N2  - Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung einer neuen Radio-Frequenz-Quadrupol (RFQ-) Struktur des 4-Rod-Typs mit einer Betriebsfrequenz von 108 MHz für die Beschleunigung schwerer Ionen mit Masse-zu-Ladungsverhältnissen von bis zu 8.5 bei hohen Tastverhältnissen bis hin zum CW-Betrieb („Continuous Wave“) am Hochladungsinjektor (HLI) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt.
Die Notwendigkeit zur Entwicklung eines komplett neuen RFQs für den HLI ergibt sich aus der Tatsache, dass mit der ursprünglich im Rahmen des geplanten HLI-Upgrades entworfenen und gebauten 4-Rod-Struktur, die im Jahr 2010 am HLI in Betrieb genommen wurde, auch nach mehrjähriger Betriebserfahrung und erheblichen Anstrengungen zur Behebung oder zumindest Reduzierung der schwerwiegenden Betriebsprobleme die angestrebten Betriebsmodi sowohl im gepulsten, als auch im CW-Betrieb nicht erreicht werden konnten. Problematisch erwiesen sich dabei vor allem mechanische Vibrationen der Elektroden, die eine starke modulierte Leistungsreflektion zur Folge haben, sowie die hohe thermische Sensitivität.
Neben der Hochfrequenzauslegung des neuen RFQ-Designs durch mit dem Programm CST Microwave Studio durchgeführten HF-Simulationen, fiel der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die mechanische Analyse der durch den HF-Betrieb hervorgerufenen Vibrationen an den Elektroden-Stäben, wofür auf die ANSYS Workbench Software zurückgegriffen wurde. Aufgrund der im CW-Betrieb hohen thermischen Belastung der RFQ-Struktur von mehr als 30 kW/m ist ebenso eine akkurate Analyse der thermischen Effekte auf die Elektrodendeformation sowie die daraus resultierende Frequenzverstimmung des Resonators erforderlich, was im Rahmen der Möglichkeiten von CST Mphysics Studio durch Simulationen untersucht wurde.
Basierend auf den Ergebnissen der mittels Simulationen durchgeführten Design-Studien und daraus erzielter Optimierungen wurde schließlich ein entsprechender 4-Rod-RFQ Prototyp mit 6 Stützen gefertigt, an dem durch Messungen der HF-Eigenschaften sowie des Vibrationsverhaltens die aus den Simulationen erwarteten Eigenschaften größtenteils validiert werden konnten.
Auf Grundlage der Vormessungen und eines neu entwickelten Strahldynamik-Konzeptes wurde aus dem Prototypen-Entwurf ein entsprechendes HF-Design für einen möglichen neuen HLI-RFQ abgeleitet.
N2  - 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.
Y1  - 2020
UR  - http://publikationen.ub.uni-frankfurt.de/frontdoor/index/index/docId/59228
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hebis:30:3-592289
ER  -