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Huifang Wang

• A synchrotron is a particular type of cyclic particle accelerator and the first accelerator concept to enable the construction of large-scale facilities [10], such as the largest particle accelerator in the world, the 27-kilometre-circumference Large Hadron Collider (LHC) by CERN near Geneva, Switzerland, the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France for the synchrotron radiation, the superconducting, heavy ion synchrotron SIS100 under construction for the FAIR facility at GSI, Darmstadt, Germany and so on. Unlike a cyclotron, which can accelerate particles starting at low kinetic energy, a synchrotron needs a pre-acceleration facility to accelerate particles to an appropriate initial value before synchrotron injection. A pre-acceleration can be realized by a chain of other accelerator structures like a linac, a microtron in case of electrons, for example, Proton and ion injectors Linac 4 and Linac 3 for the LHC, UNLAC as the injector for the SIS18 in GSI and in future the SIS18 as injector for the SIS100. The linac is a commonly used injector for the ion synchrotron and consists of some key components. The three main parts of a linac are: An ion source creating the particles, a buncher system or an RFQ followed by the main drift tube accelerator DTL. In order to meet the energy and the beam current requirement of a synchrotron injector linac, its cost is a remarkable percentage of the total facility costs. However, the normal conducting linac operation at cryogenic temperatures can be a promising solution in improving the efficiency and reducing the costs of a linac. Synchrotron injectors operate at very low duty factor with beam pulse lengths in 1 micros to 100 micros range, as most of the time is needed to perform the synchrotron cycle. Superconducting linacs are not convenient, as they cannot efficiently operate at low duty factor and high beam currents. The cryogenic operation of ion linacs is discussed and investigated at IAP in Frankfurt since around 2012 [1, 37]. The motivation was to develop very compact synchrotron injectors at reduced overall linac costs per MV of acceleration voltage. As the needed beam currents for new facilities are increasing as well, the new technology will also allow an efficient realization of higher injector linac energies, which is needed in that case. Operating normal conducting structures at cryogenic temperature exploits the significantly higher conductivity of copper at temperatures of liquid nitrogen and below. On the other hand, the anomalous skin effect reduces the gain in shunt impedance quite a bit[25, 31, 9]. Some intense studies and experiments were performed recently, which are encouraging with respect to increased field levels at linac operation temperatures between 30 K and 70 K [17, 24, 4, 23, 5, 8]. While these studies are motivated by applications in electron acceleration at GHz-frequencies, the aim of this paper is to find applications in the 100 to 700 MHz range, typical for proton and ion acceleration. At these frequencies, a higher impact in saving RF power is expected due to the larger skin depth, which is proportional to the frequency to the power of negative half with respect to the normal skin effect. On the other hand, it is assumed that the improvement in maximum surface field levels will be similar to what was demonstrated already for electron accelerator cavities. This should allow to find a good compromise between reduced RF power needs for achieving a given accelerator voltage and a reduced total linac length to save building costs. A very important point is the temperature stability of the cavity surface during the RF pulse. This is of increasing importance the lower the operating temperature is chosen: the temperature dependence of the electric conductivity in copper gets rather strong below 80 K, as long as the RRR - value of the copper is adequate. It is very clear, that this technology is suited for low duty cycle operated cavities only - with RF pulse lengths below one millisecond. At longer pulses the cavity surface will be heated within the pulse to temperatures, where the conductivity advantage is reduced substantially. These conditions fit very well to synchrotron injectors or to pulsed beam power applications. H – Mode structures of the IH – and of the CH – type are well-known to have rather small cavity diameters at a given operating frequency. Moreover, they can achieve effective acceleration voltage gains above 10 MV/m even at low beam energies, and already at room temperature operation[29]. With the new techniques of 3d – printing of stainless steel and copper components one can reduce cavity sizes even further – making the realization of complex cooling channels much easier. Another topic are copper components in superconducting cavities – like power couplers. It is of great importance to know exactly the thermal losses at these surfaces, which can’t be cooled efficiently in an easy way.
• Der Betrieb von normalleitenden Beschleunigern bei kryogenen Temperaturen ist kürzlich zu einem interessanten Thema geworden. Der kryogene Betrieb von Ionenbeschleunigern wird erstmals seit etwa 2012 am IAP in Frankfurt diskutiert und untersucht. Einerseits zeigt der Werkstoff Kupfer bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff und darunter eine deutlich höhere Leitfähigkeit. Andererseits reduziert der anomale Skin-Effekt die Verbesserung der Shunt-Impedanz. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, wie sich der anomale Skin-Effekt auf die Effizienz von Kupferkavitäten im Temperaturbereich von 40 - 50 K auswirkt. Für Experimente wurden drei λ/4 koaxiale Kavitäten entworfen und gebaut. Die genauen Längen des äußeren Zylinders und der Größe des Spalts wurden in Simulationen mit CST Microwave Studio (MWS) verifiziert: 735 mm für die 100 MHz-Kavität, 324 mm für die 220 MHz-Kavität und 201 mm für die 340 MHz-Kavität; die Spaltgröße beträgt jeweils 54 mm. Die simulierten Gütewerte sind 13060 für die 100 MHz-Kavität, 17264 für die 220 MHz-Kavität und 19665 für die 340 MHz-Kavität. Die gemessenen Gütewerte sind jeweils 11803, 15812 und 17569, was 90.4 %, 91.6 % bzw. 89.3 % der simulierten Werte entspricht. Zwei kleine Schleifen wurden als Eingangs- und Ausgangskoppler verwendet. Ihre Kopplungsstärke hat die Größenordnung 10−4 bei Raumtemperatur und 10−3 bei kryogener Temperatur nahe 4 K. Das bedeutet, dass die Kopplung schwach genug für das Experiment ist und die gemessene belastete Güte QL vom Netzwerkanalysator als gute Annäherung für Q0 angesehen werden kann. Eine HF-Konditionierung erfolgte von 0 W bis zu 50 W cw und blieb für etwa drei Stunden auf dem Maximalpegel, um Verunreinigungen und Staubpartikel auf der Oberfläche abzubrennen. Die Kavitäten wurden durch eine Kombination aus einem Turbopumpstand und einer Ionengetterpumpe gepumpt, wie sie für den Test von supraleitenden Kavitäten verwendet wird. Temperatursensoren wurden verwendet, um die Temperaturänderungen aufzuzeichnen. Nach der Kavitätsvorbereitung wurde der gesamte Versuchsaufbau in den Kryostaten gestellt und mit flüssigem Helium auf etwa 10 K heruntergekühlt. Die Gütemessungen wurden während der Aufwärmphase der Kavität durchgeführt. Aus den Ergebnissen können wir schließen, dass die RRR-Werte des ursprünglichen Kupfers (SF-Cu) sehr niedrig waren – RRR ∼= 11. Dies ist nicht ungewöhnlich für Standardrohre aus Kupfer mit nicht spezifizierten kryogenen Eigenschaften. Anschließend wurde die 340 MHz Kavität mattiert verkupfert und später eine Stunde lang bei 400°C vakuumgeglüht. Die Ergebnisse zeigten (s Abb. 1.3), dass die Kupferplattierung den Q-Faktor bei tiefen Temperaturen signifikant verbessern kann, was bedeutet, dass der RRR-Wert viel größer wird. Das nachfolgende Vakuumglühen ergab zur Kupferplattierung eine kleine zusätzliche Verbesserung. Da die gängige Diffusionstheorie auf der Basis von Elektronen -Kleinwinkelstreuung zur Berechnung des anomalen Skineffektes bekanntermaßen etwas zu gute Ergebnisse im Mikrowellenbereich unter 1 GHz und im hier interessierenden Temperaturbereich liefert, wurde ein ”geometrisches Modell” entwickelt, welches darauf gründet, dass stark winkeländernde sogenannte Umklapp-Prozesse eine wesentliche Rolle für die Elektronenbewegung spielen. Dieses Modell vergleicht sich gut mit eigenen Messungen und mit Messungen aus der Literatur. Vergleicht man die gemessenen Ergebnisse der 340 MHz Kavität nach dem Verkupfern und Vakuumglühen mit dem berechneten RRR-Wert unter Bezugnahme auf die Theorie und das geometrische Modell, die in Kapitel 4.3 beschrieben sind, so ergibt sich folgendes: Q(T)/Q(293K) beträgt 6,18 bei der niedrigsten Temperatur, während das zurückgerechnete Gleichstromverhältnis q σ(T)/σ(293K) bei der niedrigsten Temperatur aus dem geometrischen Modell sich zu etwa 11 ergibt und der RRR-Wert für diese verkupferte Schicht sich zu etwa 112 = 121 ergibt (s Abb. 1.4). Es liegt nur geringfügig über den in Ref. [14] veröffentlichten Messergebnissen: Die DC-gemessenen RRR-Werte von galvanisch verkupferten und vakuumgelühten Schichten liegen demnach zwischen den Werten 107 und 117. Der auf dem Diffusionsmodell basierende berechnete Wert von q σ(T)/σ(293K) bei der niedrigsten Temperatur liegt dagegen etwa 18 % unter dem Wert aus dem geometrischen Modell. Der RRR - Wert der galvanisch aufgebrachten Kupferschicht wird durch im Handel erhältliches OF-Cu, DIN 2.0040, sogar noch deutlich übertroffen. Die technische Umsetzung des hier verfolgten Vorhabens ist also von den Werkstoffen und von der Verarbeitung her gegeben.