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Magnetische Quadrupole und Solenoide sind ein elementarer Bestandteil einer Beschleunigeranlage und begrenzen die transversale Ausdehnung eines Teilchenstrahls durch eine Reflexion der Teilchen in Richtung der Beschleunigerachse. Die konventionelle Bauweise als Elektromagnet besteht aus einem Eisenjoch welches mit Spulen umwickelt ist. In dieser Arbeit werden diese Magnetstrukturen auf Basis von Permanentmagneten designt und hinsichtlich ihrer Qualität zum Strahltransport optimiert, sowie Feldmessungen an permanentmagnetischen Quadrupolen durchgeführt. Diese wurden mit 3D-gedruckten Halterungen aus Kunststoff gefertigt, was eine Vielzahl von Formvariationen ermöglicht. Darauf aufbauend wurde ein im Vakuum befindlicher Aufbau entwickelt, mit welchem die Strahlenvelope im inneren eines permanentmagnetischen Quadrupol Tripletts diagnostiziert werden kann. Dies greift auf ein am Institut für angewandte Physik entwickeltes System zur nicht-invasiven Strahldiagnose mithilfe von Raspberry Pi Einplatinencomputern und Kameras in starken Magnetfeldern zurück.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Konfiguration eines PMQ’s ist eine Weiterentwicklung des am CERN im Linac4, einem Alvarez-Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von H– , verwendeten Designs. Bei diesem sind je acht quaderförmige Permanentmagnete aus Samarium Cobalt (SmCo) in die Driftröhren des Beschleunigers integriert.
Darauf aufbauend wurden die geometrischen Designparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Magnetfelds untersucht. In einem magnetischen Quadrupol zur Strahlfokussierung wird dies durch einen linearen Anstieg des Magnetfeldes von Quadrupolachse zu Polflächen charakterisiert. Das Design wurde im Zuge dessen zur Verwendung von industriellen Standardgeometrien von Quadermagneten und der Erhöhung der magnetischen Flussdichte erweitert. Dazu wurde untersucht wie sich das Hinzufügen von zusätzlichen Magneten auswirkt und ob eine bessere Feldqualität durch andere Magnetformen erreicht wird.
Die Kombination mehrerer PMQ in geringem Abstand (<10 mm) führt abhängig von der Geometrie der PMQ-Singlets zu einer erheblichen Verschlechterung der Feldlinearität, was eine Erhöhung des besetzten Phasenraumvolumens der Teilchen nach sich zieht.
Am Beispiel von PMQ-Tripletts werden die zu beachtenden Designparameter analysiert und Lösungsansätze vorgestellt. Die auftretenden Effekte werden anhand von Strahldynamiksimulation veranschaulicht. Für eine Anwendung der vorgestellten Designs wurde eine Magnethülle mit einer Wabenstruktur zur Aufnahme der Einzelmagnete entwickelt. Diese besteht aus zwei Halbschalen, welche jeweils den Kompletteinschluss aller Magnete garantiert und eine einfache Montage um ein Strahlrohr ermöglicht. Diese wurden in der Institutswerkstatt aus Kunststoff via 3D-Druck gefertigt. Aufgrund der höheren erreichbaren Magnetisierung wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd2F14B, Br =1,36 T) für den Bau der entwickelten Strukturen verwendet. Für eine Magnetfeldmessung zur Bestätigung der magnetostatischen Simulationen und einer Bewertung der Druckqualität wurde eine motorisierte xyz-Stage zur Bewegung einer Hallsonde aufgebaut. Die Messungen zeigen eine gute Zentrierung des Magnetfeldes, sodass PMQ mit einer Kunststoffhalterung eine schnelle und billige Möglichkeit sind, kurzfristig eine Quadrupol-Konfiguration aufzubauen. Die Kosten belaufen sich für einen einzelnen PMQ je nach Länge auf 50€ bis 100€.
Basierend auf der PMQ-Struktur wurde ein PMQ-Triplett in ein Vakuum versetzt und mit Raspberry Pi Kameras im Zwischenraum der Singlets ausgestattet. Dies ermöglichte die Aufnahme der Strahlenvelope innerhalb des Tripletts anhand der durch einen Heliumstrahl induzierten Fluoreszenz und erste Erkenntnisse für notwendige Weiterentwicklungen wurden gesammelt. Auf den genauen technischen Aufbau wird im abschließenden Kapitel der Arbeit detailliert eingegangen.
In der einfachsten Form wird ein PM-Solenoid anhand eines einzelnen axial magnetisierten Hohlzylinders realisiert und erzeugt näherungsweise die Feldverteilung einer Zylinderspule. Durch die radialen Magnetfeldkomponenten an den Rändern des Solenoiden erhalten Teilchen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und führen eine Gyrationsbewegung entlang der Solenoidachse aus. Diese reduziert den Strahlradius und die Teilchen behalten eine Geschwindigkeitskomponente, welche zur Solenoidachse zeigt. Für eine Maximierung dieser Fokussierung muss das Magnetfeld auf die Zylinderachse konzentriert werden. Insbesondere bei einer Verlängerung des Hohlzylinders wird die Kopplung der Polflächen über das Innenvolumen abgeschwächt. Aufgrund dessen wurde ein Design bestehend aus drei Hohlzylindersegmenten entwickelt. Dieses setzt sich aus zwei radial und einem axial magnetisierten Hohlzylinder zusammen und erhöht die mittlere magnetische Flussdichte für ausgewählte Geometrien um einen Faktor zwei im Vergleich zu einem einzelnen Hohlzylinder gleicher Geometrie. Dies ist gleichzusetzen mit einer Vervierfachung der Fokussierstärke, welche quadratisch mit der mittleren magnetischen Flussdichte skaliert. Die Strahldynamischen Konsequenzen werden anhand von Simulationen mit generierten Magnetfeldverteilungen erläutert. Für eine kostengünstige Bauweise wurde eine Design basierend auf quaderförmigen Magneten entwickelt.
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.
Precise intensity monitoring at CRYRING@ESR: on designing a Cryogenic Current Comparator for FAIR
(2023)
In the field of today’s beam intensity diagnostic there is a significant gap in the non-interceptive, calibrated measurement of the absolute intensity of continuous (unbunched) dc beams with current amplitudes below 1 μA. At the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) low-intensity DC beams will occur during slow extraction from the synchrotrons as well as for coasting beams of highly-charged or exotic nuclei in the storage rings. The lack of adequate beam instrumentation limits the experimental program as well as the accuracy of experimental results.
The Cryogenic Current Comparator (CCC) can close the diagnostic gap with a high-precision dc current reading independent of ion-species and of beam parameters. However, the established detector design based on a core with high magnetic permeability and on a radial shield geometry has well-known weaknesses concerning magnetic shielding efficiency and intrinsic current noise. To eliminate these weaknesses, a novel coreless CCC with a co-axial shield was constructed and combined with a high-performance SQUID contributed by the Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz-IPHT Jena). The new axial CCC model was compared to a radial CCC with the established design provided by the Friedrich-Schiller-University Jena. According to numerical simulations prepared at TU Darmstadt and test measurements of the detectors in the laboratory, the new design offered a significant improvement of the shielding factor – from 75dB to 207dB at the required dimensions – and eliminated all noise contributions from the core material, promising an improved current resolution. Although the lower inductance of the pickup coil reduced the coupling to the beam significantly, the noise properties of the new CCC type were comparable to the classical version with a high-permeability core. However, the expected decrease of the low-frequency noise and thus an increase of the current resolution could not be observed at this stage of development.
Consequently, the classical CCC based on the radial shielding and high-permeability core had to be installed in CRYRING@ESR to provide best possible intensity measurements for the upcoming experimental campaign. In CRYRING the CCC was operated with beam currents between 1nA and 20μA and with different ion species (H, Ne, O, Pb, U). It was shown that the CCC provides a noise-limited current resolution of better than 3.2 nArms at a bandwidth of 200 kHz as well as a noise level below 40 pA/√Hz above 1 kHz. During the operation, the main noise sources of the accelerator environment had to be identified and suitable mitigation strategies were developed. Temperature and pressure fluctuations were suppressed with a newly-designed cryogenic support system based on a 70 l helium bath cryostat, developed and built in collaboration with the Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, in combination with a helium re-liquefier. The cryogenic operating time was restricted to around 7 days, which must be expanded significantly in the future. Digital filters were developed to remove the perturbations of the helium liquefier and of the neighboring dipole magnets. Given the promising results the CCC system can be considered as a prototype for future CCCs at FAIR.