Open Access

Thorsten Conrad

• The development of the designs of the superconducting CH cavities of the HELIAC project from CH0 [27] to CH1 and CH2 [1] has undergone permanent improvements and adaptations based on the learned experiences of each previous cavity. For example, the design of CH1 and CH2 focused on mechanical stabilization and optimization of performance by minimizing peak electric and magnetic fields. As a result, the changes made there were already able to increase stability and performance compared to CH0 by simplifying the design in different ways. The process of designing both cavities was time reasonable, since they are identical in construction and thus only one design had to be developed. However, for both the development and manufacturing of an entire accelerator of individual CH cavities, this type of design would become too time consuming and costly. In order to reduce this time-consuming design process and accelerate the fabrication of superconducting CH cavities, and also reduce costs, a modular cavity design for mass production of superconducting CH cavities was developed as presented in this thesis. In the following section, the conclusions gained in this work and the results already presented will be summarized once again. So in the first chapters of this thesis the theoretical foundations were laid, which are necessary for the description of superconducting cavities and for their development process, like a theoretical description of superconductivity itself (see chapter 2), the physical basics of RF-acceleration and of the CH cavity (see chapter 3), but also the effects that limit the superconducting cavities in terms of acceleration (see chapter 4) or the properties and laws from structural mechanics needed in later measurements and simulation (see chapter 5). Based on the theoretical foundations given in these sections, all measurements, evaluations and simulations made in the following sections were made.
• In dieser Arbeit wird die Entwicklung und das Prinzip einer neuartigen Designmethode für supraleitende CH-Kavitäten beschrieben, welche auf einem modularen Kavitätendesign basiert. Bei dieser Methode für das Design von Kavitäten werden dabei zahlreiche Komponenten der einzelnen CH-Kavitäten eines supraleitenden Linearbeschleunigers trotz der sich ändernden Spaltmittenabstände und den damit einhergehenden sich ändernden Radien der Kavitäten mit denselben geometrischen Dimensionen designt und gefertigt und nachträglich an die jeweiligen geometrischen Randbedingungen der zu betrachtenden CH-Kavität angepasst. Dieser Ansatz dient dabei dazu die ansonsten für einen gesamten Linearbeschleuniger zeitaufwendige und kostenintensive Designphase und Fertigung deutlich zu vereinfachen und somit sowohl Kosten als auch Zeit zu sparen, da CH-Kavitäten, die auf diesem modularen Kavitätendesign basieren, in Massenproduktion gefertigt werden können. Als Ausgangspunkt für die Entwicklung dieser Designmethode dienten die supraleitenden, 216,816MHz CH-Kavitäten CH3 bis CH11 des Helmholtz Linear Accelerator (kurz HELIAC), welcher sich an dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt aktuell im Aufbau befindet. Dieser neuartige Beschleuniger soll dabei Schwerionen mit einem Masse-zu-Ladung Verhältnis von bis zu 6 bei einem sehr hohen Tastverhältnis bis zum CW-Betrieb beschleunigen. Dabei wird er durch den Hochladungsinjektor (HLI) mit einer Eingangsenergie von 1,4MeV/u gespeist und beschleunigt den Teilchenstrahl auf eine variable Ausgangsenergie von 3,5MeV/u bis 7,3MeV/u. Der Hauptfokus der Experimente, die durch den HELIAC mit Ionen versorgt werden, liegt dabei auf der Synthese neuer, superschwerer Elemente (SHE). Für die Entwicklung des modularen Kavitätendesigns wurde das bereits erfolgreich umgesetzte und gefertigte Design der beiden baugleichen supraleitenden CH-Kavitäten des HELIAC CH1 und CH2 analysiert und nach Rücksprache mit dem Hersteller dieser beiden Kavitäten die modularen Komponenten ausgewählt. So wurde entschieden aus diesem erfolgreichen Design die Deckel, die Spokes, die Flansche, die Heliumtanks, sowie die statischen Tuner als auch die dynamischen Balgtuner zu entnehmen und sie mit einem Einheitsdesign zu entwerfen. Die Auslegung dieser Komponenten unterlief dabei unterschiedliche Designprozesse. Zunächst wurde begonnen die Kavität mit dem geringsten Spaltmittenabstand, CH3, zu entwerfen. Hierbei wurde besondere Aufmerksamkeit der Optimierung hinsichtlich der Drucksensitivität der Kavität gewidmet und sowohl die Spokes als auch die Deckel so ausgelegt, dass die Kavität möglichst stabil gegenüber äußeren Druckschwankungen ist. So wurde an den Spokes sowohl die Dimension des Spokefußes als auch die des geraden Spokestückes nahe der Strahlachse angepasst und bei den Deckeln der Radius der konischen Vertiefung. Dabei wurden diese Bauteile direkt so entworfen, dass sie zu Beginn der Auslegung der Kavität eine deutlich größere Dimension aufweisen, als benötigt, um sie auf die im Radius wachsenden, späteren Kavitäten anpassen zu können. Auf die Deckel wurden dann die sich bei CH1 und CH2 nützlich erwiesenen Spülflansche für die HPR (high pressure rinsing zu deutsch Hochdruckspülung) abseits der Strahlachse und die Ablaufflansche für die BCP (Buffered Chemical Polishing) angebracht. Dabei sind jeweils zwei Spülflansche pro Deckel vorhanden, so dass zusätzlich zur Strahlachse alle vier Quadranten der Kavität gespült werden können. Das Design der dynamischen Balgtuner, welches als Teil des modularen Kavitätendesign entworfen wurde, wurde im Vergleich zu dem Design der dynamischen Balgtuner in CH1 und CH2 stark angepasst. So wurde der Radius des Balgtuners soweit vergößert, dass ein Auslagern nach außen hin der Balglamellen nicht mehr nötig ist. Dies ist durch den vergrößerten Spaltmittenabstand und somit den größeren Abstand zwischen den Spokes möglich. Der Radius der Lamellen und damit des Tuners wurde dabei so gewählt, dass eine Auslenkung von ±1mm bei drei Lamellen durch eine wirkende Kraft von circa ±300N bewirkt wird. Dabei darf der innere von Mises Stress σv, von Mises den kritischen Wert von Niob im kalten Zustand, aus dem die gesamte Kavität gefertigt wird, von σv, von Mises, yield, Nb cold =0,49GPa nicht überschreiten. Das im Rahmen dieser Arbeit entworfene dynamische Balgtunerdesign des modularen Kavitätendesigns erfüllt diese Randbedingungen bei einem inneren Stress von σv, von Mises ≈0,24GPa, sodass es für den späteren Betrieb geeignet ist. Zudem wurde die Rundung des Tunerkopfes weiter vergrößert, um die die Supraleitung limitierenden, elektrischen Spitzenfelder am Tunerkopf weiter zu reduzieren und somit die Performanz der Kavität zu steigern...