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Challenges of FAIR phase 0
(2018)
After two-year's shutdown, the GSI accelerators plus the latest addition of storage ring CRYRING, will be back into operation in 2018 as the FAIR phase 0 with the goal to fulfill the needs of scientific community and the FAIR accelerators and detector development. Even though GSI has been well known for its operation of a variety of ion beams ranging from proton up to uranium for multi research areas such as nuclear physics, astrophysics, biophysics, material science, the upcoming beam time faces a number of challenges in re-commissioning its existing circular accelerators with brand new control system and upgrade of beam instrumentations, as well as in rising failures of dated components and systems. The cycling synchrotron SIS18 has been undergoing a set of upgrade measures for fulfilling future FAIR operation, among which many measures will also be commissioned during the upcoming beam time. This paper presents the highlights of the challenges such as re-establishing the high intensity heavy ion operation as well as parallel operation mode for serving multi users. The status of preparation including commissioning results will also be reported.
Für das Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), in Darmstadt, wurde ein neuer RFQ zur Beschleunigung schwerer Ionen für den Hochladungsinjektor (HLI) entwickelt. Dieser RFQ hat den bereits vorhandenen ersetzt und soll, für die Anpassung des HLI an die neue 28 GHz-ECR-Ionenquelle, den Duty-cycle von 25 % auf 100 % erhöhen, um superschwere Ionen zu erzeugen und die Experimente mit schweren Ionen zu versorgen. Der RFQ hat die Aufgabe schwere, hochgeladene Ionen von 4 keV/u auf 300 keV/u zu beschleunigen. Wichtige Eigenschaften sind ein hoher Strahlstrom, eine hohe Strahl-Transmission, eine kleine Strahlemittanz und eine geringe transversale Emittanzzunahme. Die Erhöhung der Injektionsenergie von 2,5 keV/u auf 4 keV/u ermöglicht eine Verkleinerung des Konvergenzwinkels. Der Aufbau des 4-Rod-RFQs für den HLI ist Thema der vorliegenden Arbeit. Die Auslegung des HLI-RFQs bezieht sich auf ein festgelegtes max. Masse zu Ladungsverhältnis von A/q = 6, bei einer Betriebsfrequenz von 108,408 MHz. Die Ionen sollen bei einem Strahlstrom von 5 mA von 4 keV/u auf 300 keV/u beschleunigt werden. Durch die spezielle teilchendynamische Auslegung konnte die Länge des Tanks von vorher 3 m auf jetzt 2 m verkürzt werden. Dies begünstigt den CW-Betrieb der Struktur. Durch den CW-Betrieb hat man eine hohe Leistungsaufnahme, dies erfordert eine besondere teilchendynamische und hochfrequenztechnische Auslegung der RFQ-Struktur und eine effiziente Kühlung. Zur Simulation der Hochfrequenzeigenschaften wurde ein Modell des RFQ mit dem Programm Microwave Studio (MWS) erstellt. Die Simulationen ergaben einen nur 2 m langen RFQ mit sehr hoher Transmission > 95%. Nach den entsprechenden Simulationsrechnungen bezüglich der Teilchendynamik und der Hochfrequenzeigenschaften wurde der RFQ aufgebaut. Der zeitaufwändige Aufbau lässt sich in drei Abschnitte einteilen. Die Elektroden wurden präzise ausgemessen. Danach wurden Stützen, Elektroden und Tuningplatten an der Bodenplatte montiert und in den Tank eingesetzt. Im Tank wurden die Elektroden justiert, die zuerst außerhalb vermessen wurden. Die korrekte Position der Elektroden zur Referenzfläche wurde berechnet und mit Hilfe eines Faro-Gage im Tank eingemessen. Die maximale Abweichung der Elektrodenposition konnte auf 0,03 mm reduziert werden. Nach der mechanischen Einrichtung folgte die HF-Anpassung des Resonators. Durch das Erhöhen der Tuningplattenpositionen zwischen den Stützen konnte die Resonanzfrequenz von 90,8 MHz auf 108,4 MHz erhöht werden. Als nächstes wurde die Spannungsverteilung im Tank gemessen und mit Hilfe der Tuningplatten konnte sie so eingestellt werden, dass die maximale Abweichung zur mittleren Elektrodenspannung bei nur ± 2% liegt. Zur weiteren Hochfrequenzabstimmung wurde die Wirkung zweier Tauchkolben mit einem Durchmesser von 75 mm untersucht. Die Tauchkolben ermöglichen eine Anpassung der Frequenz im Bereich von 1,4 MHz. Sie sollen die möglichen Frequenzverschiebungen durch beispielsweise thermische Effekte, auf Grund des HF-Betriebs, regulieren. Für die Hochfrequenzabstimmung wurde eine Ankoppelschleife gefertigt und angepasst. Die Güte des Resonators betrug Q0 = 3100, bei einem RP-Wert RP = 100 kΩm, d.h. die zur Versorgung stehende HF-Leistung (50 kW im CW-Betrieb) reicht aus. An der GSI wurde nach dem Transport eine Kontrolle der Elektroden vorgenommen, danach wurde der RFQ erst einzeln, danach als komplette HLI Einheit getestet. Dazu wurden verschiedene Pulsmessungen und Emittanzmessungen mit Argon 7+ und Argon 8+ durchgeführt. Bei der ersten Strahlinbetriebnahme wurden die Transmission, die Ionenenergie und die Emittanz mit verschiedenen Ionen gemessen. Die ersten Tests des HLI-RFQ waren sehr vielversprechend. In den Tests war zu sehen, dass die vorgenommenen Arbeiten, wie Justage und HF-Abstimmung der Resonanzstruktur, erfolgreich waren. Danach wurde der Strahlbetrieb mit Calcium, bei einer Leistung von 50 kW, durchgeführt. Die gemessene Transmission bei einer Spannung von 43 kV lag bei 70 %. Im Mai 2010 gab es eine 14Stickstoff2+ -Strahlzeit mit einer gepulsten Leistung von N = 90 kW. Danach wurde Anpassungstests mit verschiedenen Schwerionen durchgeführt. Im November 2010 wurden neue Tuningplatten mit einer besseren Stützenkontaktierung sowie einer besseren Kühlung eingebaut. Die Elektroden wurden nach diesen Maßnahmen auf ± 0,04 mm einjustiert. Die Flatness liegt bei ± 2,1 %, die Güte beträgt Q0 = 3300. Der RFQ wurde in die Beamline eingebaut und geht im Januar 2011 in Betrieb.
The MYRRHA Project (Multi Purpose Hybrid Reactor for High Tech Applications) at Mol/belgium will be a user facility with emphasis on research with neutron generated by a spallation source. One main aspect is the demonstration of nuclear waste technology using an accelerator driven system. A superconducting linac delivers a 4 mA, 600 MeV proton beam. The first accelerating section is covered by the 17 MeV injector. It consists of a proton source, an RFQ, two room temperature CH cavities and 4 superconducting CH-cavities. The initial design has used an RF frequency of 352 MHz. Recently the frequency of the injector has been set to 176 MHz. The main reason is the possible use of a 4-rod-RFQ with reduced power dissipation and energy, respectively. The status of the overall injector layout including cavity design is presented.
MYRRHA is conceived as an accelerator driven system (ADS) for transmutation of high level nuclear waste. The neutron source is created by coupling a proton accelerator of 600 MeV with a 4 mA proton beam, a spallation source and a sub-critical core. The IAP of Frankfurt University is responsible for the development of the 17 MeV injector operated at 176 MHz. The injector consists of a 1.5 MeV 4-Rod-RFQ and six CH-drifttube-structures. The first two CH-structures will be operated at room temperature and the other CH-structures are superconducting cavities assembled in one cryo-module. To achieve the extremely high reliability required by the ADS application, the design of the 17 MeV injector has been intensively studied, with respect to thermal issues, minimum peak fields and field distribution.
GSI High Energy Beam Transfer lines (HEST) link the SIS18 synchrotron with two storage rings (Experimental Storage Ring and Cryring) and six experimental caves. The recent upgrades to HEST beam instrumentation enables precise measurements of beam properties along the lines and allow for faster and more precise beams setup on targets. Preliminary results of some of the measurements performed during runs in 2018 and 2019 are presented here. The focus is on response matrix measurements and quadrupole scans performed on HADES beam line. The errors and future improvements are discussed.