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The crossbar-H-mode (CH) structure is the first superconducting multicell drift tube cavity for the low and medium energy range operated in the H21 mode. Because of the large energy gain per cavity, which leads to high real estate gradients, it is an excellent candidate for the efficient acceleration in high power proton and ion accelerators with fixed velocity profile. A prototype cavity has been developed and tested successfully with a gradient of 7MV/m. A few new superconducting CH cavities with improved geometries for different high power applications are under development at present. One cavity (f=325 MHz, β=0.16, seven cells) is currently under construction and studied with respect to a possible upgrade option for the GSI UNILAC. Another cavity (f=217 MHz, β=0.059, 15 cells) is designed for a cw operated energy variable heavy ion linac application. Furthermore, the EUROTRANS project (European research program for the transmutation of high level nuclear waste in an accelerator driven system, 600 MeV protons, 352 MHz) is one of many possible applications for this kind of superconducting rf cavity. In this context a layout of the 17 MeV EUROTRANS injector containing four superconducting CH cavities was proposed by the Institute for Applied Physics (IAP) Frankfurt. The status of the cavity development related to the EUROTRANS injector is presented.
Recently the Universal Linear Accelerator (UNILAC) serves as a powerful high duty factor (25%) heavy ion beam accelerator for the ambitious experiment program at GSI. Beam time availability for SHE (Super Heavy Element)-research will be decreased due to the limitation of the UNILAC providing Uranium beams with an extremely high peak current for FAIR simultaneously. To keep the GSI-SHE program competitive on a high level and even beyond, a standalone superconducting continuous wave (100% duty factor) LINAC in combination with the upgraded GSI High Charge State injector is envisaged. In preparation for this, the first LINAC section (financed by HIM and GSI) will be tested with beam in 2017, demonstrating the future experimental capabilities. Further on the construction of an extended cryo module comprising two shorter Crossbar-H cavities is foreseen to test until end of 2017. As a final R&D step towards an entire LINAC three advanced cryo modules, each comprising two CH cavities, should be built until 2019, serving for first user experiments at the Coulomb barrier.
At the Institute for Applied Physics (IAP), University of Frankfurt, a s.c. 325 MHz CH-Cavity is under development for future beam tests at GSI UNILAC, Darmstadt. The cavity with 7 accelerating cells has a geometrical beta of 0.15 corresponding to 11.4 AMeV. The design gradient is 5 MV/m. The geometry of this resonator was optimized with respect to a compact design, low peak fields, surface processing, power coupling and tuning. Furthermore a new tuning system based on bellow tuners inside the resonator will control the frequency during operation. After rf tests in Frankfurt the cavity will be tested with a 10 mA, 11.4 AMeV beam delivered by the GSI UNILAC. In this paper rf simulations, multipacting analysis as well as thermal calculations will be presented.
At GSI a new, superconducting (sc) continuous wave (cw) LINAC is under design in cooperation with the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University and the Helmholtz Institut Mainz (HIM). This proposed LINAC is highly requested by a broad community of future users to fulfill the requirements of nuclear chemistry, nuclear physics, and especially in the research field of Super Heavy Elements (SHE). In this context the preliminary layout of the LINAC has been carried out by IAP. The main acceleration of up to 7.3 AMeV will be provided by nine sc Crossbar-H-mode (CH) cavities operated at 217 MHz. Currently, a prototype of the cw LINAC as a demonstrator is under development. The demonstrator comprises a sc CH-cavity embedded between two sc solenoids mounted in a horizontal cryomodule. A full performance test of the demonstrator in 2013/14 by injecting and accelerating a beam from the GSI High Charge Injector (HLI) is one important milestone of the project. The status of the demonstrator is presented.
The superconducting CH-structure (Crossbar-H-mode) is a multi-cell drift tube cavity for the low and medium energy range operated in the H21-mode, which has been developed at the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University. With respect to different high power applications two types of superconducting CH-structures (f = 325 MHz, β = 0.16, seven cells and f = 217 MHz, β = 0.059, 15 cells) are presently under construction and accordingly under development. The structural mechanical simulation is a very important aspect of the cavity design. Furthermore, several simulations with ANSYS Workbench have been performed to predict the deformation of the cavity walls due to the cavity cool-down, pressure effects and mechanical vibrations. To readjust the fast frequency changes in consequence of the cavity shape deformation, a new concept for the dynamic frequency tuning has been investigated, including a novel type of bellow-tuner.
Entwicklung von normal- und supraleitenden CH-Strukturen für den 17 MeV EUROTRANS-Injektor-Linac
(2010)
In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Hochfrequenzlinearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, permanent. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Aktivitäten lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Daneben existiert seit einiger Zeit eine starke Tendenz zur Entwicklung von Hochleistungslinearbeschleunigern, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die neu entwickelte CH-Struktur (Crossbar H-Mode) 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. Das europäische Programm zur Transmutation radioaktiver Abfälle, EUROTRANS, basiert auf einem Hochleistungslinearbeschleuniger, der einen intensiven Protonenstrahl bereitstellt. Dieser Strahl wird auf ein Flüssigmetalltarget geleitet, wodurch Spallationsneutronen entstehen, welche die Reaktion im Reaktorkern antreiben. Hierbei spricht man von einem sogenannten beschleunigergetriebenen System (ADS). Das zugehörige Refernzdesign des Instituts für Angewandte Physik propagiert einen aus normal- und supraleitenden CH-Strukturen bestehenden Injektor für den Bereich von 5–17 MeV. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diesbezüglich zur Entwicklung von zwei normal- und vier supraleitenden CH-Kavitäten elektrodynamische Simulationsrechnungen in Bezug auf die folgenden Designkriterien durchgeführt:...
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.
The new heavy ion superconducting continuous wave HElmholtz LInear ACcelerator (HELIAC) is under construction at GSI. A normal conducting injector, comprising an ECR ion source, an RFQ and a DTL, is recently in development. The new Interdigital H-mode DTL, presented in this paper, accelerates the heavy ion beam from 300 to 1400 keV/u, applying an Alternating Phase Focusing (APF) beam dynamics scheme. This APF section, consisting of two separately controlled tanks, has to provide for stable routine operation with assistance of dedicated beam diagnostics devices in the Intertank section. The installed quadrupole lenses and beam steerers installed there ensure full transmission in a wide range of input beam parameters.
The upcoming commissioning of the superconducting (SC) continuous wave Helmholtz linear accelerators first of series cryomodule is going to demand precise alignment of the four internal SC cavities and two SC solenoids. For optimal results, a beam-based alignment method is used to reduce the misalignment of the whole cryomodule, as well as its individual components. A symmetric beam of low transverse emittance is required for this method, which is to be formed by a collimation system. It consists of two separate plates with milled slits, aligned in the horizontal and vertical direction. The collimation system and alignment measurements are proposed, investigated, and realized. The complete setup of this system and its integration into the existing environment at the GSI High Charge State Injector are presented, as well as the results of the recent reference measurements.