Beam dynamics design of an energy-variable superconducting heavy ion accelerator

  • This dissertation describes the development of the beam dynamics design of a novel superconducting linear accelerator. At a main operating frequency of 216.816 MHz, ions with a mass-to-charge ratio of up to 6 can be accelerated at high duty cycles up to CW operation. Intended for construction at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, the focus of the work is on the beam dynamic design of the accelerator section downstream of the high charge injector (HLI) at an injection energy of 1.39 MeV/u. An essential feature of this linear accelerator (Linac) is the use of the EQUUS (Equidistant Multigap Structure) beam dynamics concept for a variably adjustable output energy between 3.5 and 7.3 MeV/u (corresponding to about 12.4 % of the speed of light) with a required low energy spread of maximum 3 keV/u. The GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research is a large-scale research facility that uses its particle accelerators to perform basic research with ion beams. Research on super-heavy elements ("SHE") is a major focus. It is expected that their production and research will provide answers to a large number of scientific questions. The production and detection of elements with atomic numbers 107 to 112 (Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Röntgenium and Copernicium) was first achieved at GSI between 1981 and 1996. Key to this remarkable progress in SHE research were continuous developments and technical innovations. On the one hand, in the field of experimental sensitivity and detection of the nuclear reaction products and, on the other hand, in the field of accelerator technology. For the acceleration of the projectile beam, the UNILAC (Universal Linear Accelerator), which was put into operation in 1975, has been used at GSI so far. In the course of the reconstruction and expansion of the research infrastructure at GSI, a dedicated new particle accelerator, HELIAC (Helmholtz Linear Accelerator), is now under development to meet the special requirements of the beam parameters for the synthesis of new superheavy elements. Typically, the production rates of super-heavy elements with effective cross sections in the picobarn range are very low. Therefore, a high duty cycle (up to CW operation) is a key feature of HELIAC. Thus, the required beam time for the desired nuclear reactions can be significantly shortened. Theoretical preliminary work by Minaev et al. and newly created knowledge about design, fabrication, and operation of superconducting drift tube cavities have laid the foundation for this work and thus the development of the HELIAC linear accelerator. It consists of a superconducting and a normal conducting part. Acceleration takes place in the superconducting part in four cryomodules, each about 5 m long. These contain three CH cavities, one buncher cavity, two solenoid magnets for transverse beam focusing, and two beam position monitors (BPMs). The following 10 m long normal conducting part is primarily used for beam transport and ends with a buncher cavity. This is operated at a halved frequency of 108.408 MHz. A key feature of this accelerator is the variability of the output energy from 3.5 to 7.3 MeV/u with a small energy uncertainty of ±3 keV/u maximum over the entire output energy range. For the development of HELIAC, the EQUUS beam dynamics concept used combined the advantages of conventional linac designs with the high acceleration gradients of superconducting CH-DTLs. By doubling the frequency (compared to the GSI high charge injector) to 216.816 MHz in the superconducting section and using CH cavities at an acceleration gradient of maximum 7.1 MV/m, an acceleration efficiency with superconducting drift tube structures that is unique in the world is made possible. At the same time, the compact lengths of the CH cavities ensure good handling for both production and operation. EQUUS leads to longitudinal beam stability in all energy ranges of the accelerator with the sliding motion of the synchronous phase within each CH cavity. The rms emittance growth is moderate in all levels. The modular design of the HELIAC with four cryomodules basically allows the Linac to be commissioned starting with the first cryomodule, the so-called Advanced Demonstrator. In the subsequent expansion stage with only the first two cryomodules of HELIAC, the lower limit of the energy range to be provided by HELIAC (3.5 MeV/u) can already be clearly exceeded, so that use in regular beam operation at GSI is already conceivable from here on. By means of error tolerance studies, the stability of the HELIAC beam dynamics design against possible alignment errors of the magnetic focusing elements and accelerator cavities as well as errors of the electric field amplitudes and phases have been investigated, basically confirmed and critical parameters have been determined. An additional steering concept via dipole correction coils at the solenoid magnets allows transverse beam control as well as diagnostics by means of two BPMs per cryomodule. With completion of this work in 2021, the CH1 and CH2 cavities have already been built and are in the final preparation and cold test phase. In parallel, the development of the CH cavities CH3-11 has also been started.
  • Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung des Strahldynamikdesigns eines neuartigen supraleitenden Linearbeschleunigers. Bei einer Haupt-Betriebsfrequenz von 216,816 MHz können dabei Ionen mit einem Masse-zu-Ladungsverhältnis von bis zu 6 bei hohen Tastverhältnissen bis hin zum CW-Betrieb beschleunigt werden. Angedacht für einen Bau am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt liegt der Schwerpunkt der Arbeit in der strahldynamischen Auslegung des Beschleunigerabschnitts nach dem Hochladungsinjektor (HLI) bei einer Injektionsenergie von 1,39 MeV/u. Wesentliches Merkmal dieses Linearbeschleunigers („Linac“ für engl. linear accelerator) ist dabei die Verwendung des EQUUS (Equidistant Multigap Structure) Strahldynamikkonzeptes für eine variabel einstellbare Ausgangsenergie zwischen 3,5 und 7,3 MeV/u (entspricht etwa 12,4 % der Lichtgeschwindigkeit) bei einer erforderlichen geringen Energieunschärfe von maximal 3 keV/u. Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ist eine Großforschungseinrichtung, die mit ihren Teilchenbeschleunigern Grundlagenforschung mit Ionenstrahlen durchführt. Forschung zu superschweren Elementen („SHE“ von engl. super-heavy element) ist dabei ein wesentlicher Schwerpunkt. Von deren Produktion und Erforschung erhofft man sich Antworten auf eine Vielzahl wissenschaftlicher Fragestellungen. Die Produktion und der Nachweis der Elemente mit den Ordnungszahlen 107 bis 112 (Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Röntgenium und Copernicium) gelang in den Jahren 1981 bis 1996 erstmals an der GSI. Zentral für diese bemerkenswerten Fortschritte in der SHE Forschung waren kontinuierliche Weiterentwicklungen und technische Innovationen. Einerseits auf dem Feld der experimen-tellen Sensitivität und Detektion der Kernreaktionsprodukte und andererseits auf dem Gebiet der Beschleunigertechnologie. Zur Beschleunigung des Projektilstrahls wird an der GSI bislang der 1975 in Betrieb genommene UNILAC (für engl. Universal Linear Accelerator) verwendet. Im Zuge des Umbaus und der Erweiterung der Forschungsinfrastruktur an der GSI befindet sich mit HELIAC (für engl. Helmholtz Linear Accelerator) nun auch ein dedizierter neuer Teilchenbeschleuniger in der Entwicklung, der die besonderen Erfordernisse der Strahlparameter zur Synthese neuer superschwerer Elemente berücksichtigt. Typischerweise sind die Produktionsraten superschwerer Elemente mit Wirkungsquerschnitten im Bereich von Picobarn sehr niedrig. Daher ist ein hohes Tastverhältnis (bis hin zum CW-Betrieb) ein wesentliches Merkmal des HELIAC. So lässt sich die benötigte Strahlzeit für die gewünschten Kernreaktionen signifikant ver-kürzen. Theoretische Vorarbeiten von Minaev et al. und neu geschaffenes Wissen um Design, Herstellung und Betrieb von supraleitenden Driftröhrenkavitäten haben den Grundstein für diese Arbeit und somit die Entwicklung des Linearbeschleunigers HELIAC gelegt. Er besteht aus einem supraleitenden und einem normalleitenden Teil. Die Beschleunigung findet im supraleitenden Teil in vier Kryomodulen mit jeweils etwa 5 m Länge statt. Diese beinhalten je drei CH-Kavitäten, eine Buncher-Kavität, zwei Solenoidmagnete zur transversalen Strahlfokussierung, sowie zwei Strahlpositionsmonitore (BPMs für engl. beam position monitors). Der dann folgende etwa 10 m lange normalleitende Teil dient primär zum Strahltransport und schließt mit einer Buncherkavität ab. Diese wird mit einer halbierten Frequenz von 108,408  MHz betrieben. Wesentliches Merkmal dieses Beschleunigers ist die Variabilität der Ausgangsenergie von 3,5 bis 7,3 MeV/u bei einer geringen Energieunschärfe von maximal ±3 keV/u über den gesamten Ausgangsenergiebereich hinweg. Für die Entwicklung von HELIAC wurden mit dem verwendeten EQUUS-Strahldynamikkonzept die Vorteile konventioneller Linac-Designs mit den hohen Beschleunigungsgradienten von supraleitenden CH-DTLs kombiniert. Durch die Frequenzverdopplung (gegenüber dem GSI-Hochladungsinjektor) auf 216,816 MHz in der supraleitenden Sektion und die Verwendung von CH-Kavitäten bei einem Beschleunigungsgradienten von maximal 7,1 MV/m wird eine weltweit bislang einmalige Beschleunigungseffizienz mit supraleitenden Driftröhrenstrukturen ermöglicht. Gleichzeitig wird mit kom-pakten Längen der CH-Kavitäten ein dennoch gutes Handling sowohl für die Fertigung als auch den Betrieb gewährleistet. EQUUS führt mit der gleitenden Bewegung der Synchron-phase innerhalb jeder CH-Kavität zu longitudinaler Strahlstabilität in allen Energiebereichen des Beschleunigers. Das rms-Emittanzwachstum ist in allen Ebenen moderat. Der modulare Aufbau des HELIAC mit vier Kryomodulen ermöglicht die Inbetriebnahme des Linacs grundsätzlich bereits ab dem ersten Kryomodul, dem sogenannten Advanced Demonstrator. In der darauffolgenden Ausbaustufe mit lediglich den ersten beiden Kryomodulen des HELIAC, kann bereits die untere Grenze des von HELIAC zur Verfügung zu stellenden Energiebereiches (3,5 MeV/u) deutlich übertroffen werden, so dass die Verwendung im regulären Strahlbetrieb an der GSI ab hier bereits denkbar ist. Mittels Fehlertoleranzstudien konnte die Stabilität des HELIAC-Strahldynamikdesigns gegenüber möglicher Justierfehler der magnetischen Fokussierelemente und Beschleuniger-kavitäten sowie Fehler der elektrischen Feldamplituden und -phasen untersucht, grund-sätzlich bestätigt und kritische Parameter ermittelt werden. Ein zusätzliches Steeringkonzept über Dipolkorrekturspulen an den Solenoidmagneten erlaubt eine transversale Strahl-steuerung sowie -diagnose mittels zweier BPMs pro Kryomodul. Mit Fertigstellung dieser Arbeit im Jahr 2021 wurden die Kavitäten CH1 und CH2 bereits gebaut und befinden sich in der finalen Präparations- und Kalttestphase. Parallel wurde auch die Entwicklung der CH-Kavitäten CH3–11 gestartet.

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Metadaten
Author:Malte Alexander Schwarz
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-644481
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.64448
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Holger PodlechORCiDGND, Ulrich Ratzinger
Advisor:Holger Podlech, Ulrich Ratzinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/11/09
Year of first Publication:2021
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2021/11/08
Release Date:2021/11/19
Page Number:126
HeBIS-PPN:487852699
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
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