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Entwicklung, Aufbau und Test eines neuen Kryostatmoduls für den S-DALINAC

Kürzeder, Thorsten :
Entwicklung, Aufbau und Test eines neuen Kryostatmoduls für den S-DALINAC.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung, Aufbau und Test eines neuen Kryostatmoduls für den S-DALINAC
Language: German
Abstract:

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl ein neues Beschleuniger-Kryostatmodul für den supraleitenden Injektor des S-DALINAC als auch drei supraleitende Kavitäten entworfen und hergestellt. Diese Maßnahmen hatten die Erhöhung der maximalen Strahlenergie hinter dem Injektorbeschleuniger von 10 MeV auf 14 MeV bei Strahlströmen von bis zu 250 µA statt bisher 60 µA zum Ziel. Diese Intensitätserhöhung machte dabei auch eine Erhöhung der eingekoppelten Hochfrequenzleistung von 500 W auf 2 kW erforderlich. Dafür wurden neue Hochfrequenzeinkoppler am Institut für Theorie elektromagnetischer Felder an der Technischen Universität Darmstadt entworfen. Um diese verwenden zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Kryostatmodul entwickelt, bei dem eine WR-284 Rechteckhohlleiterverbindung durch alle Druck- und Temperaturstufen verläuft. Die neue Konstruktion ist an die der Standardkryostate des S-DALINAC angelehnt, um bei gleichen Dimensionen und Anschlüssen für Strahl- und Isoliervakuum, sowie den notwendigen Verbindungen für Helium und Stickstoff, das bisherige Injektormodul ersetzen zu können. Für die WR-284 Hohlleiterdurchführung wurde der Turmbereich völlig neu gestaltet, so dass ausreichend Platz für eine saubere Montage unter Reinraumbedingungen zur Verfügung steht. Die eigens für dieses Projekt angefertigten Hohlleiterbälge zeigen hierbei hervorragende HF-Eigenschaften und stellen die notwendige Flexibilität der Transferleitung sicher. Ebenso wurde ein Blendenelement entwickelt, um als Alternative zu einem kalten Fenster bei einer Zwischentemperatur die Verluste durch Wärmestrahlung innerhalb der Hohlleiter zu minimieren. Alle Hohlleiterelemente wurden im Rahmen dieser Arbeit auf Ultrahochvakuumtauglichkeit getestet und hochfrequenztechnisch vermessen. Im Zuge der Herstellung des Kryostatmoduls wurde der Heliumtank mit einer neuen, signifikant verbesserten, magnetischen Abschirmung ausgestattet. Abschließende Messungen ergaben für das äußere Magnetfeld im Bereich der supraleitenden Kavitäten im Heliumtank einen Durchschnittswert von 4 µT. Hiermit ist es am S-DALINAC erstmals möglich, bei Präparation der Beschleunigungsstrukturen unter saubersten Bedingungen, eine unbelastete Güte von 3E9 zu erreichen. Um den gesteigerten Anforderungen an das neue Beschleunigermodul gerecht zu werden, wurden ebenfalls drei neue 20-zellige Beschleunigungsstrukturen (Kavitäten) hergestellt. Ihre Fertigung erfolgte nicht mehr aus Einzelzellen, sondern dem neuesten Stand der Technik entsprechend aus Hanteln, was eine optimale Präparation der 20-zelligen Kavitäten ermöglichte. Die zur Produktion erforderlichen Simulationen und Messungen wurden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, so dass am Ende der Fertigung alle drei Beschleunigungsstrukturen erfolgreich bei der korrekten Länge auf der richtigen Frequenz feldglatt eingestellt waren. Für die vorliegende Arbeit wurde das Kryostatmodul mit einer Kavität bestückt und testweise außerhalb des Beschleunigers abgekühlt. Die Tests bei 2 K und 4 K ergaben eine gute Funktionalität in Hinblick auf die Dichtigkeit der verschiedenen Druckbereiche und auch die thermischen Verluste in den Heliumtank lagen mit 5-6 W im Rahmen der Anforderugen. Zuletzt konnte die externe Güte der neuen Hochfrequenzeinkoppler zu 6.25E6 bestimmt und damit der im Entwurf angestrebte Wert von 5E6 nahezu exakt bestätigt werden. Nach den erfolgreich durchgeführten Tests steht das neue Modul nunmehr zum Einsatz am Injektor des S-DALINAC bereit. Mit zwei der drei neuen Beschleunigungsstrukturen kann es vollständig bestückt das bisherige Modul ersetzen, so dass dieses dann als Ersatzmodul für den Hauptbeschleuniger bereit gehalten werden kann. Hierdurch wird es in Zukunft möglich sein, Wartungsarbeiten erheblich zu verkürzen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Within the work presented here, a new cryostat-module for the superconducting injector accelerator of the S-DALINAC as well as three superconducting cavities have been designed and built. The aim of these efforts was an increase in energy behind the injector from 10 MeV to 14 MeV and in beam current from 60 µA to 250 µA. Such an upgrade in intensity required an increase of the input radio-frequency (RF) power from 500 W to 2 kW. For this purpose new RF power couplers had been designed at the Institut für Theorie elektromagnetischer Felder at the Technische Universität Darmstadt. In order to enable the use of these couplers a new cryostat-module with a WR-284 rectangular waveguide transition line through all pressure and temperature stages was developed within the work presented here. The new construction was designed following that of the standard cryostats of the S-DALINAC. Because the dimensions and adapters for the beam and insulating vacuum as well as the connections needed for helium and nitrogen supply of both cryostats agree, the present module can be simply replaced by the new one. For the WR-284 waveguide feed-through the tower section was redesigned to provide enough space for an assembly under clean-room conditions. The waveguide bellows, specially built for this project, show excellent RF properties and provide the flexibility needed for the transfer line. As an alternative to a cold vacuum window a special waveguide with diaphragms at an intermediate temperature has been developed in order to minimize losses due to heat radiation inside the waveguide. All waveguide components were tested for ultra-high-vacuum capability and their RF properties have been determined within this work. Within the process of the fabrication of the cryostat module the helium vessel was equipped with a significantly improved magnetic shielding. Final measurements inside the helium vessel showed an average value of 4 µT for the magnetic field at the positions of the superconducting cavities. For the first time, this will allow the achievement of an intrinsic quality factor of 3E9 for the superconducting cavities at the S-DALINAC, if state-of-the-art preparation techniques are used. Three new 20-cell cavities were built to meet the increased requirements for the new accelerator module. Instead of fabricating these structures from single cells, state-of-the-art techniques using dumbbells were applied in order to provide an optimal treatment of the 20-cell cavities. Prior to the production, simulations and measurements were carried out during the course of the present work, such that all three cavities were successfully tuned to the right frequency and field flatness at the correct length. For an offline test the cryostat module was equipped with one cavity and cooled down. Tests at 2 K and 4 K demonstrated leak tightness of the various pressure stages and the thermal losses of 5-6 W to the helium vessel were also within requirements. Finally, the external quality factor of the new RF input coupler was measured to be 6.25E6, thus almost matching the desired design value of 5E6. After these successful tests the new module is ready to be installed at the injector of the S-DALINAC. Equipped with two of the three new cavities it will replace the current module, which, in turn, will serve as a spare for the main accelerator of the S-DALINAC, thus reducing maintenance periods in future.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 30 Apr 2013 09:11
Last Modified: 30 Apr 2013 09:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33533
Referees: Richter, Prof. Achim and Weiland, Prof. Thomas
Refereed: 26 November 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3353
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