TU Darmstadt / ULB / TUprints

Auslegung, Planung und Aufbau einer dritten Rezirkulation mit ERL-Modus für den S-DALINAC

Arnold, Michaela :
Auslegung, Planung und Aufbau einer dritten Rezirkulation mit ERL-Modus für den S-DALINAC.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Michaela_Arnold_oL_ULB.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (36MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Auslegung, Planung und Aufbau einer dritten Rezirkulation mit ERL-Modus für den S-DALINAC
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wird die Auslegung, Planung und der Aufbau einer dritten Rezirkulation am S-DALINAC behandelt, die zusätzlich die Möglichkeit eines ERL-Betriebs bietet. Ziel ist eine Erhöhung der im cw- Betrieb erreichbaren Endenergie durch die erneute Nutzung des Hauptbeschleunigers sowie die Fertigstellung des ersten ERLs in Deutschland.

Die größte Herausforderung war der Entwurf des Separationsdipols. Er musste strikten Randbedingungen an die magnetischen Eigenschaften genügen. Zusätzlich unterlag er geometrischen Einschränkungen aufgrund des zur Verfügung stehenden Platzes. In der vorliegenden Arbeit gelang es, nach einem langwierigen Entwurfsprozess eine sehr gute Auslegung zu finden, die anschließend gefertigt wurde. Die Simulationen zeigten, dass alle Strahlen der entsprechenden Energien in die jeweilige korrekte Bahn abgelenkt werden. Weiter konnte die simulierte, transversale Feldhomogenität in der Mitte des Jochs innerhalb der geforderten Spezifikationen (kleiner 10⁻³) bestimmt werden. Im Falle der longitudinalen Feldhomogenität blieben fast alle Resultate unter 5·10⁻³, lediglich die Austrittsseite von Strahl T zeigte Abweichungen von bis zu 1·10⁻². Auffallend war die vor allem auf der Austrittsseite des Dipolmagnets teils stark ausgeprägte Abhängigkeit des Kantenwinkels von der vertikalen Strahlposition. Dieses Verhalten wurde nach Untersuchungen der Strahldynamik als problemlos beherrschbar eingestuft. Die Integration der höheren Multipolanteile entlang der verschiedenen Strahlbahnen zeigte sehr gute Ergebnisse, da alle Summen unterhalb der geforderten 10⁻³ blieben. Für solch einen komplexen Dipolmagneten waren dies alles sehr gute Simulationsergebnisse, die auf eine reibungslose Verwendung im Betrieb vermuten lassen. Nach der Fertigung des Separations- und Rekombinationsdipols wurden beide vom Hersteller gemessen und charakterisiert. Die Messungen der transversalen Feldhomogenität blieben fast alle in den oben genannten Grenzen (kleiner 10⁻³), lediglich der Strahl S zeigte mit Werten von bis zu 5·10⁻³ leichte Abweichungen. Die gemessenen Werte der longitudinalen Feldhomogenität blieben ebenfalls fast alle unter den simulierten Werten (kleiner 5·10⁻³). Der einzige Strahl mit schlechteren Ergebnissen (kleiner 10⁻²) war Strahl F des Rekombinationsdipols. Dieser Unterschied wurde auf einen Fehler in der Fertigung dieses Dipolmagneten zurückgeführt und als nicht bedenklich eingestuft.

Der große Komplex an Strahldynamiksimulationen reichte von einer Betrachtung der grundlegenden Parameter jeder Rezirkulation und des vorderen Bereichs der Extraktionsstrahlführung bis hin zu dedizierten Untersuchungen spezieller Fragestellungen. Alle Strahleinhüllenden, dispersive Bahnen und betrachteten Akzeptanzen zeigten sehr gute Ergebnisse für einen erfolgreichen Betrieb. Es konnten erfolgreich lineare Skalierungsvorschriften der Quadrupolmagnete in den jeweils ersten Bögen der Rezirkulationen gefunden werden, die das nicht-isochrone Rezirkulieren ermöglichen. Zusätzlich zu den mit XBEAM durchgeführten Simulationen wurden die benötigten Justagetoleranzen für die Magnete mit elegant zu einer 1D-Positionsgenauigkeit von kleiner 0,5mm und einer maximalen Rotation um eine einzelne Achse von 0,1° berechnet. Die final erreichten Genauigkeiten bei der Justage bleiben deutlich unter den Anforderungen.

Abschließend lässt sich sagen, dass der Neuaufbau des S-DALINAC äußerst erfolgreich verlaufen ist. In jedem Fall wird diese Erweiterung einen neuen Energierekord für den S-DALINAC im cw-Betrieb bedeuten. Es ist ebenfalls erfolgreich gelungen, den S-DALINAC als einen betriebsbereiten ERL umzubauen. Die Strahlführung aller drei Rezirkulationen wurde in einen einsatzbereiten Zustand versetzt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis focuses on the design, planning and construction of a third recirculation with an additional option of an ERL-operation. The project goals are an increase of the final energy in cw-operation by using the main linac an additional time as well as completing the first ERL in Germany. Designing the separation dipole magnet was the biggest challenge of this project. It had to fulfill strict boundary conditions to the magnetic field distribution and challenging spatial constraints. After a demanding design process, the final version of the separation dipole was constructed. During the design, various simulations ensured the demanded quality. Particle tracking simulations of all energies through this dipole magnet showed that all beams have been bent precisely into their corresponding beamlines. Calculating the transverse homogeneity in the middle of the yoke showed very good results. All values stayed below the specified limit of 10⁻³. Regarding the longitudinal homogeneity, nearly all results have been below 5·10⁻³. Only the exit side of beam three showed deviations of up to 1·10⁻². During the simulations, a strong dependency of the edge angles with respect to the vertical position was discovered, especially the exit edge angle. Ensuring a reliable beamdynamics simulation, this dependency has been checked with XBEAM. The result showed that these effects are controllable in a simple manner. Integrating higher multipole components along the different orbits led to smaller results than the recommended 10⁻³. All simulations showed very good results for such a complex dipole magnet. After manufacturing, the separation as well as the recombination dipole magnet have been measured and investigated with respect to all important parameters. The results for the transverse homogeneity of the magnetic field showed similar values in comparison to the theory. Nearly all beams stayed below 10⁻³ except for the second beam (S) with values smaller than 5·10⁻³. In case of the longitudinal homogeneity nearly all beams remained below 5·10⁻³. Only the result of beam one (F) (smaller 1·10⁻²) diverged from this value. It is most likely that this difference resulted from an error during manufacturing of the recombination dipole magnet which should have no consequences during an operation of this dipole magnet. Concerning the design of the lattice, many different beamdynamics simulations have been performed. The envelopes and dispersion curves of all three recirculations as well as of the first part of the extraction beamline showed good results. A calculation of the acceptance of the lattice proved that the beam can be transported without any losses. Changing between different non-isochronous settings or going back to isochronous mode, a linear scaling rule for all quadrupole magnets in the first arc of each recirculation with respect to the longitudinal dispersion has been formulated. In addition to the simulations done with XBEAM the necessary tolerances for aligning all lattice elements have been investigated with elegant. The accuracy of all 1D-positions have to be smaller than 0.5mm with a maximum rotation about a single axis of 0.1°. All requirements have been fulfilled during the alignment process. The upgrade of the S-DALINAC has been conducted very successfully. It will lead to the highest energy of a beam in cw-operation at the S-DALINAC so far. The extension of the S-DALINAC to a ready for operation ERL has been finished. The whole lattice of all three recirculations is ready for operation.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstruktur und S-DALINAC
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 05 May 2017 13:28
Last Modified: 05 May 2017 13:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-61940
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Enders, Prof. Dr. Joachim
Refereed: 21 December 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6194
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year