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Mit immer komplexeren Experimenten erhöhen sich die Anforderungen an die Detektoren und diese Arbeit ist ein neuer Beitrag für eine weiterentwickelte technologische Lösung. In der vorliegenden Dissertation wurde eine nichtinvasive optische Strahldiagnose für intensive Ionenstrahlen in starken Magnetfeldern entwickelt. Das optische System besteht aus miniaturisierten Einplatinen CMOS-Kameras. Sowohl die hardwareseitige Entwicklung als auch die softwareseitige Implementierung der Algorithmen zur Kamerakalibrierung, Netzwerksteuerung und Strahlrekonstruktion wurden in dieser Arbeit entwickelt. Die Leistungsstärke dieses neuartigen Diagnosesystems wurde dann experimentell an einem Teststand demonstriert. Dabei wurde das optische System ins Vakuumstrahlrohr eingebettet. Ein Wasserstoffionenstrahl mit einer Energie von 7keV bis 10keV und einem Strahlstrom bis 1mA wurde in einer Stickstoffatmosphäre bis 1E-5 mbar untersucht. Dabei wurde der Ionenstrahl entlang des Strahlrohres des Toroidsegmentmagnetes mit einer Bogenlänge von 680mm mit einem xy-Kamerasystem beobachtet.
Der Strahlschwerpunkt und die Breite des Strahlprofils wurden im Ortsraum rekonstruiert. Die analytisch berechnete und in anderen Arbeiten simulierte Gyrationsbewegung sowie der RxB-Drift des Strahlschwerpunktes konnte experimentell bestätigt werden.
Ionenstrahlen werden in der Grundlagenforschung, in der Industrie und der Medizin verwendet. Um die Teilchen für die jeweiligen Anforderungen nutzbar zu machen, werden sie mit Ionenbeschleunigern je nach Anwendung auf eine bestimmte Energie beschleunigt. Eine Beschleunigeranlage besteht dabei aus einer Reihe von unterschiedlichen Elementen: Ionenquellen, Linearbeschleuniger, Kreisbeschleuniger, Fokussierelemente, Diagnosesysteme usw. In jeder dieser Kategorien gibt es wiederum verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, je nach Anforderung des jeweiligen Abschnitts und der gesamten Anlage. Im Bereich der Linearbeschleuniger ist als Bindeglied zwischen Ionenquelle/Niederenergiebereich und Nachfolgebeschleuniger der Radiofrequenzquadrupol (RFQ) weit verbreitet. Dieser kann den aus der Quelle kommenden Gleichstromstrahl in Teilchenpakete (Bunche) formen und diese gleichzeitig auf die nächste Beschleunigerstufe angepasst vorbeschleunigen. Desweiteren wird der Teilchenstrahl innerhalb des RFQ kontinuierlich fokussiert, wodurch insbesondere bei diesen niedrigen Energien Strahlverluste minimiert werden. Bei hohem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis wird für schwere Ionen eine niedrige Resonanzfrequenz von deutlich unter 100 MHz benötigt. Dies führt zu längeren Beschleunigungszellen entlang der Elektroden, womit durch eine bessere Fokussierung auch höhere Strahlströme beschleunigt werden können. Im Allgemeinen bedeutet eine niedrigere Resonanzfrequenz aber auch einen größeren Querschnitt der Resonanzstruktur sowie einen längeren Beschleuniger. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher RFQ-Strukturen für niedrige Frequenzen, wie sie beispielsweise im Linearbeschleunigerbereich der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt Anwendung finden. Zunächst wird die Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und dessen zur Zeit im Bau befindliche Erweiterung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) kurz vorgestellt. Teil dieser Anlage ist der Hochstrominjektor genannte Anfangsbeschleuniger, der wiederum aus einem RFQ und zwei nachfolgenden Driftröhrenbeschleunigern besteht. Dieser Hochstrominjektor dient als Referenz für die vorliegende Arbeit. In Kapitel 3 wird kurz auf Linearbeschleuniger im Allgemeinen und auf das Grundprinzip und die Eigenschaften eines RFQ näher eingegangen. Anschließend werden verschiedene RFQ-Strukturkonzepte vorgestellt und die Strahldynamik in einem RFQ sowie charakteristische Resonatorgrößen beschrieben. Ausgangspunkt ist der aktuelle RFQ des Hochstrominjektors (Kapitel 4). Dieser IH-RFQ mit einer Betriebsfrequenz von 36 MHz ist seit vielen Jahren in Betrieb und soll für eine verbesserte Effizienz und Betriebssicherheit ein Upgrade erfahren. Dazu wurden Simulationen sowohl der bestehenden Struktur als auch mit Modifikationen durchgeführt und diese miteinander verglichen. Zur Entwicklung eines kompakten Resonators werden in Kapitel 5 verschiedene Splitring-RFQ-Modelle als Alternative zur IH-Struktur mittels Simulationen untersucht. Diese wurden für eine niedrigere Frequenz von 27 MHz entworfen, was der Frequenz des ursprünglichen Wideröe-Beschleunigers (Vorgänger des Hochstrominjektors HSI) entspricht und ebenso wie die 36 MHz des IH-RFQ eine Subharmonische der 108 MHz des Folgebeschleunigers ist. Abschließend wurde noch eine neue RFQ-Struktur, der Splitframe-RFQ, entworfen und untersucht. Auch dieser wurde für eine Frequenz von 27 MHz ausgelegt. Die Ergebnisse dieser Entwicklung, die eine Mischung aus einem Splitring- und einem klassischen 4-Rod-RFQ darstellt, befinden sich in Kapitel 6. Alle Feldsimulationen wurden mit dem Programm Microwave Studio von CST durchgeführt. Zusammenfassend werden die verschiedenen Konzepte anhand der charakteristischen Resonatorgrößen verglichen und ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Auslegung des Kickers für den Bunch-Kompressor des FRANZ-Projektes. Anhand eines Modells wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Einkopplung sowie das Feld zwischen den Kondensatorplatten bereits untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird der Kicker mit Hilfe des Programms CST Microwave Studio erstellt und optimiert, sodass er nach Abschluss der Untersuchungen in die Fertigung gehen kann. Dabei ist der erste Schwerpunkt der Untersuchungen die Auslegung und Optimierung der Kondensatorplatten, die für die Auslenkung der Mikro-Bunche im FRANZ-Projekt verantwortlich sind. Zu Beginn der Masterarbeit gab es gezielte Winkelverteilungen, die der Kicker im Rahmen des FRANZ-Projektes erreichen sollte. Nachdem ein Erreichen dieser Werte nur bedingt möglich war, wurden verschiedene Abschnitte des FRANZ-Projektes neu überdacht und die Anforderungen an den Kicker änderten sich dadurch grundlegend. Aus diesem Grund wurde der Kicker zu Beginn der Arbeit für eine Frequenz von 5 MHz ausgelegt, wohingegen er im Rahmen der neuen Anforderungen für eine Resonanzfrequenz von 2,57 MHz ausgelegt wurde. Die Untersuchung der optimalen Resonanzfrequenz für die Anforderungen des Kickers stellt den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit dar.
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.
In dieser Bachelorarbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Betriebsfrequenz von CH-Kavitäten untersucht. Aufgrund der geometrisch komplexen Form der Beschleunigungsstruktur, können die Eigenfrequenzen nicht mithilfe von analytischen Methoden bestimmt werden. Üblicherweise werden die Eigenfrequenzen, ihre Ladungsund Stromdichten, sowie die elektromagnetischen Felder über numerische Methoden der Computational Electromagnetics (CEM) ermittelt. Die CEM ist eine junge Disziplin, deren Performanz und Anwendungsgebiete in den letzten 20 Jahren rapide gewachsen sind. Hauptverantwortlich hierfür ist zum einen das exponentielle Wachstum der Rechenleitung bei gleichbleibenden Kosten, zum anderen die Entwicklung und Verbesserung der Algorithmen. Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts wurden elektronische Komponenten hauptsächlich dadurch entwickelt, indem Prototypen angefertigt und analysiert wurden. Diese zeitaufwendige und kostspielige Herangehensweise ist heutzutage nahezu vollständig durch CEM-Simulationen ersetzt worden. Die Hauptmethoden der CEM sind die Finite-Differenzen-Methode (FDM), die Momenten-Methode (MoM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM). Für die Bestimmung der Eigenwerte und Eigenvektoren der Beschleunigungsstrukturen eignet sich aufgrund der Stabilität von diesen Dreien am besten die Methode der finiten Elemente. Da die FEM ein rechen- und speicherintensives Verfahren ist, wurde in dieser Arbeit nach einer schnelleren Methode gesucht, um die Betriebsfrequenz von CH-Kavitäten zu bestimmen. Hierfür wurden 84 CH-Kavitäten mithilfe von CST Studio Suite erstellt und simuliert. Es handelt sich hierbei um vier Grundtypen, drei wurden bei einer fixierten Sollfrequenz von 300 MHz konstruiert; die Sollfrequenz des vierten Grundtyps betrug 175 MHz. Die Teilchengeschwindigkeit wurde jeweils in 0,01er-Schrtitten von 0,05 c bis 0,25 c variiert. Aus den Untersuchungen der EM-Felder wurde anschließend ein semi-analytisches Modell entwickelt, das aufgrund der Geometrie der CH-Kavität die Betriebsfrequenz liefern soll.
Im Rahmen dieser Arbeit wird darauf eingegangen, welche Anpassungen erforderlich sind, um Protonendichten vergleichbar zu bereits erzeugten Elektronendichten in Gabor-Linsen zu erhalten. Zur Vorbereitung zukünftiger Experimente werden vergleichende Simulationen zum Einschluss der Ladungsträgerdichten durchgeführt und die Strahldynamik bei der Wechselwirkung eines positiven Ionenstrahls mit einem in einer Gabor-Linse eingeschlossenen Protonenplasma untersucht. Die Ergebnisse der Strahldynamiksimulationen werden mit theoretischen Berechnungen vertieft, in dem die Brennweite einer Gabor-Linse, die mit einer beliebigen Teilchensorte gefüllt ist, berechnet und die Drift-Masse eingeführt wird.
Eine weitere analytische Betrachtung ist die Erweiterung der Teilchendynamik in der Gabor-Linse auf beliebige Anfangsbedingungen, in dem die dazugehörige Differentialgleichung entkoppelt und ganz allgemein gelöst wird. Die daraus berechneten Trajektorien der Teilchen führen zu einem besseren Verständnis, das weitere Anwendungen erschließen könnte.
Die vorliegende Arbeit handelt von der Entwicklung, dem Bau, den Zwischenmessungen sowie den abschließenden Tests unter kryogenen Bedingungen einer neuartigen, supraleitenden CH-Struktur für Strahlbetrieb mit hoher Strahllast. Diese Struktur setzt das Konzept des erfolgreich getesteten 19-zelligen 360 MHz CH-Prototypen fort, der einen weltweiten Spitzenwert in Bezug auf Beschleunigungsspannung im Niederenergiesegment erreichte, jedoch wurden einige Aspekte weiterentwickelt bzw. den neuen Rahmenbedingungen angepasst. Bei dem neuen Resonator wurde der Schwerpunkt auf ein kompaktes Design, effektives Tuning, leichte Präparationsmöglichkeiten und auf den Einsatz eines Leistungskopplers für Strahlbetrieb gelegt. Die Resonatorgeometrie besteht aus sieben Beschleunigungszellen, wird bei 325 MHz betrieben und das Geschwindigkeitsprofil ist auf eine Teilcheneingangsenergie von 11.4 MeV/u ausgelegt. Veränderungen liegen in der um 90° gedrehten Stützengeometrie vor, um Platz für Tuner und Kopplerflansche zu gewährleisten, und in der Verwendung von schrägen Stützen am Resonatorein- und ausgang zur Verkürzung der Tanklänge und Erzielung eines flachen Feldverlaufs. Weiterhin wurden pro Tankdeckel zwei zusätzliche Spülflansche für die chemische Präparation sowie für die Hochdruckspüle mit hochreinem Wasser hinzugefügt. Das Tuning der Kavität erfolgt über einen neuartigen Ansatz, indem zwei bewegliche Balgtuner in das Resonatorvolumen eingebracht werden und extern über eine Tunerstange ausgelenkt werden können. Der Antrieb der Stange soll im späteren Betrieb wahlweise über einen Schrittmotor oder einen Piezoaktor stattfinden. Für ein langsames/ statisches Tuning kann der Schrittmotor den Tuner im Bereich +/- 1 mm auslenken, um größeren Frequenzabweichungen in der Größenordnung 100 kHz nach dem Abkühlen entgegenzuwirken. Das schnelle Tuning im niedrigen kHz-Bereich wird von einem Piezoaktor übernommen, welcher den Balg um einige µm bewegen kann, um Microphonics oder Lorentz-Force-Detuning zu kompensieren. Der Resonator wird von einem aus Titan bestehendem Heliummantel umgeben, wodurch ein geschlossener Heliumkreislauf gebildet wird.
Derzeit befinden sich mehrere Projekte in der Planung bzw. im Bau, welche auf eine derartige Resonatorgeometrie zurückgreifen könnten. An der GSI basiert der Hauptteil des zukünftigen cw LINAC auf supraleitenden CH-Strukturen, um einen Strahl für die Synthese neuer, superschwerer Elemente zu liefern. Weiterhin könnte ein Upgrade des vorhandenen GSI UNILAC durch den Einsatz von supraleitenden CH-Resonatoren gestaltet werden. Zudem besteht die Möglichkeit, die bisherige Alvarez-Sektion des UNILAC alternativ durch eine kompakte, supraleitende CH-Sektion zu realisieren. Ebenfalls sollen die beiden parallelbetriebenen Injektorsektionen des MYRRHA-Projektes durch den Einsatz von supraleitenden CH-Strukturen erfolgen.
Nach dem einführenden Theorieteil werden in den darauffolgenden Kapiteln zuerst die Auslegung und die Vermessung der drei Tripletts an der GSI in Darmstadt beschrieben und dann versucht mit Hilfe von LORASR einen Akzeptanzrahmen der MEBT-Sektion (Medium Energy Beam Transport) für ein Teilchenpaket anzugeben. Anschließend werden die Ergebnisse aus Feldvermessung und CST EM STUDIO Feldsimulationen verglichen. Damit soll die Frage, inwieweit es mit Particle Tracking Simulationen, in denen mit in CST EM STUDIO simulierten und anschließend in BENDER importierten Feldern gearbeitet wird, möglich ist, zutreffende Aussagen zu machen, beantwortet werden. Im letzten Kapitel werden wiederum die Ergebnisse dieser Simulationen präsentiert und ihre Bedeutung, im Vergleich mit den erweiterten Untersuchungen der Transporteigenschaften durch verschiedene aus überlagerten Multipolfeldern generierten Magnetfelder, eingeordnet. Abschließend wird nochmals ein Fazit zur Aussagekraft der Ergebnisse und der Folgen für den Strahltransport gezogen und ein Ausblick auf die noch ausstehenden Schritte und weitere experimentelle Analyseoptionen gegeben.
Entwicklung und Test einer supraleitenden 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt an der GSI
(2016)
In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Linearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, stetig. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Anwendungen lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit die Entwicklung neuartiger, supraleitender Hochleistungslinearbeschleunigerkavitäten stark vorangetrieben, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die am Institut für Angewandte Physik der Goethe-Universität Frankfurt entwickelte CH-Kavität ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Bislang konnten in der Vergangenheit ein supraleitender 360 MHz CH-Prototyp sowie eine für hohe Leistungen optimierte supraleitende 325 MHz CH-Struktur erfolgreich bei kryogenen Temperaturen ohne Strahl getestet werden. Um die Forschung im Bereich der Kernphysik, der Kernchemie und vor allem im Bereich der superschweren Elemente auch in Zukunft weiter fortzusetzen, ist der Bau eines neuen supraleitenden, dauerstrichbetriebenen Linearbeschleunigers an der GSI geplant. Das Kernstück des zukünftigen cw-LINAC basiert auf dem Einsatz supraleitender 217 MHz CH-Kavitäten, mit deren Hilfe ein adäquater Teilchenstrahl mit
maximal 7,5 MeV/u für die SHE-Synthese bereitgestellt werden soll. Auf dem Weg zur Realisierung des geplanten cw-LINACs wurde im Zuge des Demonstrator-Projektes die Umsetzung der ersten Sektion des gesamten Beschleunigers beschlossen. Der Fokus des Projektes liegt auf der Demonstration der Betriebstauglichkeit innerhalb einer realistischen Beschleunigerumgebung sowie insbesondere auf der erstmaligen Inbetriebnahme einer supraleitenden CH-Kavität mit Strahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die erste supraleitende 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt entwickelt, produziert und ihre Hochleistungseigenschaften in einem vertikalen Kryostaten bei 4,2 K getestet. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf der HF-Auslegung der Kavität, den begleitenden Tuningmaßnahmen während der Produktion sowie den ersten Leistungstests unter kryogenen Bedingungen. Weitere Schwerpunkte lagen auf der kompakten Bauweise, dem effektiven Tuning, der Oberflächenpräparation sowie auf dem Strahlbetrieb der Kavität mit einem dauerstrichfähigem 5 kW Hochleistungskoppler. Die Umsetzung
der Kavität beruhte auf dem geometrischen Konzept der supraleitenden, siebenzelligen 325 MHz CH-Struktur.
Ihre elektromagnetische und strukturmechanische Auslegung erfolgte mittels der Simulationsprogramme ANSYS Multiphysics und CST Studio Suite. Um während des Test- bzw. Strahlbetriebs mit der entsprechend notwendigen Kopplungsstärke die HF-Leistung in die Kavität einzuspeisen, wurden unterschiedliche Kopplerantennen für den jeweiligen Fall ausgelegt. Zum Erreichen der geforderten Zielfrequenz wurde ein Verfahren erarbeitet, welches die hierfür notwendigen Mess- und Arbeitsschritte während der einzelnen
Produktionsphasen beinhaltet. Diesbezüglich wurden während der Produktion der Kavität eine Reihe von Zwischenmessungen beim Hersteller durchgeführt, um den Frequenzverlauf innerhalb der jeweiligen Fertigungsschritte entsprechend beeinflussen zu können
und um vorangegangene Simulationswerte zu validieren. Alle untersuchten Parameter konnten während der Messungen in guter Übereinstimmung zu den Simulationen reproduziert und die Zielfrequenz der Kavität schließlich erreicht werden. Nach Abschluss der letzten Oberflächenpräparationen wurde die Kavität in einer neuen kryogenen Testumgebung innerhalb der Experimentierhalle des IAP für einen vertikalen Kalttest vorbereitet.
Daraufhin erfolgte das Evakuieren der Kavität, das Abkühlen auf 4,2 K sowie ihre Konditionierung. Anschließend erfolgte die Bestimmung der intrinsischen Güte der Kavität.
Sie betrug 1,44 x 10E9 und besitzt somit den bisher höchsten Gütewert, der jemals bei einer supraleitenden CH-Struktur erreicht wurde. Es konnte ein maximaler Beschleunigungsgradient von 7 MV/m im Dauerstrichbetrieb erreicht werden, was einer effektiven Spannung von 4,2 MV entspricht. Die zugehörigen magnetischen und elektrischen Oberflächenfelder lagen bei 39,3 mT bzw. 43,5 MV/m. Ein thermaler Zusammenbruch konnte während des gesamten Leistungstests nicht festgestellt werden, was auf eine gute thermische Eigenschaft der Kavität hindeutet. Allerdings zeigte der gemessene Verlauf ein frühes Abfallen der Güte ab 2,5 MV/m, was durch anormale Leistungsverluste aufgrund von Feldemission hervorgerufen wurde. Dies war aufgrund der unzureichenden Oberflächenbehandlung der Kavität zu erwarten, da die Hochdruckspülung aus technischen Gründen nur entlang der Strahlachse erfolgte. Dennoch konnte die Designvorgabe des geplanten cw-LINACs hinsichtlich der Güte bei 5,5 MV/m um einen Faktor 2 übertroffen werden.
Die positiven Ergebnisse der Simulationsrechnungen und der Messungen zeigen, dass die Anforderungen des Demonstrator-Projekts, insbesondere hinsichtlich des benötigten Beschleunigungsgradienten, mittels der entwickelten supraleitenden 217 MHz CH-Kavität erfüllt werden. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit maßgeblich an der Umsetzung des Demonstrator-Projekts bzw. an der Realisierung des geplanten cw-LINACs beigetragen und der Weg für einen Strahlbetrieb der Kavität vorbereitet.
Bei der Ionenstrahltherapie bestimmt die Energie der Ionen die Eindringtiefe in das Gewebe und damit die Lage des Braggpeaks, in dem der größte Teil der Ionisationsenergie deponiert wird.
Um die gewünschte Dosis möglichst genau im Tumor zu lokalisieren, müssen in den aufeinanderfolgenden Extraktionen die gewünschten unterschiedlichen Energien möglichst genau sein.
In der Beschleunigungsphase werden die Magnetfelder der Magnete im Synchrotron bis zum vorgegebenen Exktraktionswert hochgefahren. Dieser bestimmt zusammen mit der Synchrotronfrequenz die Strahlenergie. Während und insbesondere am Ende dieser Phase, Rampe genannt, sollte das Magnetfeld daher sehr genau dem berechneten Sollwert folgen, um Strahlverluste zu minimieren und die geforderte Strahlqualität zu erreichen.
In der zeitlichen Steuerung der Magnetströme müssen magnetische Effekte, die hauptsächlich im Eisen der Magnete auftreten, wie Wirbelströme und die Hysterese berücksichtigt werden, da sie das Feld verfälschen und damit den Strahl in unerwünschter Weise beeinflussen. Die während der Rampe entstehenden Wirbelströme stören das Magnetfeld, so dass bisher vor der Extraktion des Strahls eine Wartezeit eingeführt wurde, bis die Wirbelströme abgeklungen waren.
Bei beliebig wählbaren Abfolgen der vordefinierten Zyklen kommt es durch die Hysterese des Eisens zu unterschiedlichen Remanenzfeldern, die das Magnetfeld verändern. Um dem vorzubeugen, durchliefen die Magnete eine vordefinierte Hystereseschleife. Ist die geforderte Energie des Strahls erreicht, wird das Magnetfeld konstant gehalten und die Teilchen aus dem Synchrotron extrahiert. Der Rest der Hystereseschleife wurde am Ende des Zyklus durchlaufen.
Die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte dynamische Magnetfeldregelung misst das integrale Magnetfeld sehr genau und korrigiert die Feldfehler. Das integrale Magnetfeld folgt damit jederzeit seiner Vorgabe, unabhängig von den dynamischen Störeffekten. Die Wirbelströme und die Hysterese sind zwar immer noch vorhanden, die dadurch verursachten Feldfehler können aber durch eine Rückkopplung auf den Strom des Magneten korrigiert werden.
Es werden verschiedene Verfahren zur Messung der Magnetfelder untersucht. Am besten eignet sich für die dynamische Magnetfeldregelung die Kombination aus einer Hallsonden- und einer Induktionsspulenmessung. Die Messung muss das integrale Magnetfeld des Magneten BL, also das gesamte Feld entlang des Strahlwegs, bestimmen. Die Induktionsspule, oder Pickupspule, liegt deshalb entlang des Strahlrohrs im Magneten und liefert eine Spannung in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Flusses. Durch die Integration dieser Spannung erhält man das integrale Feld des Magneten. Die Messung wird mit einer Hallsondenmessung zu Beginn des Beschleunigerzyklus auf einen absoluten Messwert geeicht.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des sogenannten HIT Integrators, der die Integration der Pickupspulenspannung übernimmt. Bisher verfügbare Integratoren konnten die notwendigen Anforderungen an Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit, automatische Kalibrierung, ständige Messbereitschaft, Temperaturunabhängigkeit und hohe Verfügbarkeit nicht erfüllen. Der neu entwickelte HIT Integrator wurde diesen Anforderungen entsprechend entwickelt. Der Integrator mit dem neuartigen Konzept der gleichzeitigen Messung und Kalibrierung in Echtzeit ist als Patent angemeldet worden. Neben der Entwicklung und Verwirklichung des Gesamtkonzepts war die numerische Integration des stark verrauschten Pickupspulensignals und die sofortige Umsetzung des integralen Werts in ein Steuersignal für die Dipolmagnetstromgeräte eine besondere technische Herausforderung.
Die elektronischen Schaltungen für die dynamische Magnetfeldregelung sind in der Baugruppe des HIT Integrators zusammengefasst. Die Ansteuerung der Hallsonde mit einer temperaturkompensierten Stromquelle, der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung, sowie der Integrator und der Regler bilden eine technische Einheit.
Der HIT Integrator ist speziell für den Einsatz im bestehenden Beschleunigerkontrollsystem und den Magnetnetzgeräten entwickelt worden.
Die Regler der Magnetnetzgeräte wurden so verändert, dass sie einen Zusatzsollwert verarbeiten können, der auf den berechneten Sollwert der Datenversorgung addiert wird.
Die Magnetfeldregelung wurde in den Therapiebeschleuniger integriert, dazu wurde die Datenversorgung und das Kontrollsystem angepasst. Die Magnetfeldregelung stellt ein neues Gerät im Beschleuniger dar, das in die Netzgeräte der Synchrotronmagnete eingebaut worden ist. Die Datenversorgung dieser Geräte beinhaltet u.a. eine neue Methode der Kalibrierung.
Es konnte durch Messungen gezeigt werden, dass die Magnetfeldregelung mit hoher Genauigkeit funktioniert. Es wird eine Genauigkeit von besser als 10^{-4} des maximalen Feldes von 1.5 T erreicht, also weniger als 150uT, der dreifachen Stärke des Erdmagnetfelds. Vor allem die Bestrahlungszeit mit Protonen und die Bestrahlung bei niedrigen Energien profitiert von der Magnetfeldregelung, da hier das Extraktionsniveau der Magnete relativ gering ist und das Durchlaufen der vordefinierten Hystereseschleife prozentual mehr Zeit im Zyklus in Anspruch nimmt. Durch den Wegfall dieser Phase wird daher pro Zyklus mehr Zeit eingespart. Die Messungen zeigen, dass im Beschleunigerzyklus trotz der fehlenden Wartezeiten, die bis zu 24% betragen, eine gleichbleibend gute Strahlqualität erreicht wird. Dies wurde mit Vergleichsmessungen gezeigt, bei denen der Strahl mit und ohne Feldregelung vermessen wurde. Untersucht wurde eine große Stichprobenmenge aus dem Parameterraum, gegeben durch zwei Ionensorten mit jeweils 255 Strahlenergien, 10 verschiedenen Teilchenraten und 4 Strahlbreiten. Außerdem wurde die Energie des Strahls nachgemessen.
Für die Einführung in den Therapiebetrieb musste eine Impactanalyse gemacht werden, die mögliche Auswirkungen des neuen Verfahrens behandelt. Das Risiko für Patienten, Mitarbeiter und Dritte darf durch die Magnetfeldregelung nicht erhöht werden. Daraus entstand auch die Forderung nach einem redundanten System, das Fehler erkennt und die Bestrahlung abbricht.
Die mittlere Leistungsaufnahme des Beschleunigers des Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrums liegt bei etwa 1 MW, bei einem Jahresenergieverbrauch von 8 GWh mit Kosten von etwa 1 Million Euro. Dies entspricht einer deutschen Kleinstadt mit 10000 Einwohnern. Die Verkürzung der Zykluszeiten wirkt sich direkt auf die Bestrahlungszeit und auf die Energiekosten aus. Würde man die Anlage durch die Zeiteinsparungen kürzer betreiben, würde man etwa 2 GWh pro Jahr sparen, was die Stromkosten um etwa 250000 Euro reduziert.
Zusätzlich zu den eingesparten Kosten wird auch die Bestrahlungszeit kürzer und damit auch die Zeit, die der Patient bei der Behandlung fixiert wird. Die Behandlung für die Patienten wird angenehmer. Man kann aber auch durch die eingesparte Bestrahlungszeit pro Patient entsprechend mehr Patienten behandeln. Das heißt man kann an Stelle von 700 Patienten im Jahr 910 Patienten mit einem Tumor behandeln. Dieser für die Patienten willkommene Effekt bedeutet auf der anderen Seite für HIT aber auch Mehreinnahmen von 4.2 Millionen Euro im Jahr.
Das Konzept der Magnetfeldregelung kann auch an anderen Beschleunigeranlagen zum Einsatz kommen. Dazu müssen die Magnete mit den Sonden bestückt werden und die Magnetnetzgeräte einen Eingang für einen Zusatzsollwert bekommen. Das Beschleunigerkontrollsystem kann erweitert werden, damit es einen Sollwert mit allen notwendigen Kalibrierungen berechnen kann. Der HIT Integrator wird dann als eigenständiges Gerät in das Kontrollsystem eingebunden.