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Injector Optimization at the Superconducting Darmstadt Linear Electron Accelerator S-DALINAC

Weih, Simon (2022):
Injector Optimization at the Superconducting Darmstadt Linear Electron Accelerator S-DALINAC. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020632,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Injector Optimization at the Superconducting Darmstadt Linear Electron Accelerator S-DALINAC
Language: English
Abstract:

The former 5-cell capture cavity of the S-DALINAC injector was insufficiently adapted to the beam energies provided by the electron sources. This led to an inefficient energy gain and a deterioration of the beam quality in this acceleration structure. In order to optimize the performance of the injector, especially with regard to an accelerator operation in the energy-recovery mode, it was therefore necessary to replace the 5-cell cavity with a dedicated β-adapted capture structure. This project was implemented within the scope of this dissertation. A new β-reduced 6-cell structure was manufactured, tested and installed at the accelerator. Tuner frame components had to be adapted to the novel geometry and mechanical features of the cavity. To achieve an exchange of the cavities within a regular maintenance shutdown, full compatibility with the existing cryostat was prioritized during the design of the modified cryomodule components. In addition, a beam diagnostic setup was conceptualized, installed and commissioned upstream of the capture cavity. This setup was used to characterize momentum spreads of the beam along the normal-conducting injector section with a relative uncertainty of ±2 %. Furthermore, parameters of the beam entering the superconducting injector section, which have a significant influence on the achievable injector beam quality, could be optimized. After the cool-down of the installed capture cavity, full functionality of the upgraded cryomodule was shown. First beam parameter studies were conducted at the optimized injector. The results were benchmarked against the former injector setup. Besides a reduction of the momentum spread by a factor of around four, a substantially improved energy gain of up to 1.4 MeV was achieved in the new capture structure for an incident beam energy of 250 keV. Furthermore, a decreased bunch length was observed at the injector beam, which had already proven beneficial for the overall S-DALINAC performance during ERL experiments following the commissioning. The optimized injector is fully operational and is now available for further beam operation at the S-DALINAC.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die ehemalige 5-zellige Einfangkavität am Injektor des S-DALINAC war unzureichend an die von den Elektronenquellen bereitgestellen Strahlenergien angepasst. Dies hatte einen geringen Energiegewinn sowie eine Verschlechterung der Strahlqualität in dieser Beschleunigungsstruktur zur Folge. Eine Optimierung des Injektors, die vorallem Hinblick auf den derzeit untersuchten Beschleunigerbetrieb im Energie-rückgewinnenden Modus notwendig war, erforderte daher den Austausch des 5-Zellers mit einer speziellen, β-angepassten Einfangstruktur. Dieses Projekt wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit umgesetzt. Eine neue β-reduzierte, 6-zellige Kavität wurde hergestellt, getestet und am Beschleuniger eingebaut. Dabei musste der Tunerrahmen an die neuartige Geometrie und die mechanischen Eigenschaften des 6-Zellers angepasst werden. Um einen Austausch der Kavitäten im Rahmen eines regulären Wartungsstillstands zu ermöglichen, wurde die Kompatibilität mit dem bestehenden Kryostat bei der Auslegung aller modifizeriten Bauteile priorisiert. Diese Arbeit umfasst des Weiteren die Konzeption, den Aufbau und die Inbetriebnahme eines Strahldiagnose-Messplatzes vor dem Eintritt des Strahls in die Einfangkavität. Eine Charakterisierung der Impulsunschärfen des Strahls entlang des normalleitenden Injektorabschnitts mit relativen Unsicherheiten von ±2 % und eine Optimierung der Strahlparameter am Ort des Eintritts in den supraleitenden Beschleunigerabschnitt, die eine deutliche Auswirkung auf die erreichbare Strahlqualität hinter dem Injektor haben, wurde vorgenommen. Nach dem Abkühlen der eingebauten Kavität konnte die volle Funktionalität aller Kryomodul-Komponenten gezeigt werden. Eine erste Untersuchung der Strahlparameter des optimierten Injektors wurde durchgeführt, wobei die Ergebnisse mit dem ehemaligen Aufbau verglichen wurden. Neben einer wesentlich reduzierten Impulsunschärfe um einen Faktor von ungefähr vier konnte in der neuen Einfangkavität ein deutlich optimierter Energiegewinn von bis zu 1.4 MeV für einen einlaufenden Strahl mit einer kinetischen Energie von 250 keV gezeigt werden. Des Weiteren wurde durch den optimierten Injektoraufbau eine Reduktion der Bunchlänge erreicht, die sich bereits während der auf die Inbetriebnahme folgenden ERL-Experimente als insgesamt für den Beschleunigerbetrieb vorteilhaft erwies. Der vollständig betriebsfähige optimierte Injektor steht nun für den zukünftigen Strahlbetrieb am S-DALINAC zur Verfügung.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 109 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 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 > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 21 Feb 2022 13:06
Last Modified: 21 Feb 2022 13:06
DOI: 10.26083/tuprints-00020632
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-206322
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim ; Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Date of oral examination: 17 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20632
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