Ertüchtigung von supraleitenden Crossbar H-Mode Hochfrequenzkavitäten mit hohem Kopplungsfaktor

Abstract

In einer Kooperation zwischen der Gesellschaft für SchwerIonenforschung (GSI), der Johannes Gutenberg Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut-Mainz (HIM) und der Goethe-Universität Frankfurt (GUF) wird zurzeit der supraleitenden Dauerstrich-Linearbeschleuniger HEmholtz LInear ACcelerator (HELIAC) entwickelt. Sein primärer Einsatzbereich ist die Fortführung und Intensivierung der Super Heavy Element (SHE)-Forschung an der GSI, insbesondere nachdem der bestehende UNIversal Linear ACelerator (UNILAC) nach einem Upgrade und Umbau zum Injektor des Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)-Projekts nicht mehr den Anforderungen der SHE-Experimente genügen wird. Im Rahmen des Advanced-Demonstrator-Projekts wird der erste Abschnitt des supraleitenden Beschleunigers mit Schwerionenstrahl in Betrieb genommen. Dabei kommen vier supraleitende neuartige Crossbar H-Mode (CH)-Kavitäten zum Einsatz. Die speziellen Anforderungen des Strahlbetriebs bedingen, dass die Beschleunigerkavitäten im sogenannten stark angekoppelten Zustand betrieben werden. Diese Betriebsart führt zu einem beträchtlichen Anstieg des HochFrequenz (HF)-Leistungsbedarfs und schließt gleichzeitig die zur Charakterisierung der HF-Kavitäten durchzuführende Bestimmung der Resonatorgüte aus. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, diesen beiden daraus resultierenden Herausforderungen zu begegnen. Der Fokus, der im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen lag zunächst auf der Entwicklung und dem Test eines HF-Kopplers, der für den erhöhten Leistungsbedarf ausgelegt ist. Neben der Optimierung der HF-Eigenschaften sollte insbesondere der Wärmeeintrag in den Kryostaten im zuverlässigen Dauerbetrieb minimiert werden. Die Entwicklung eines auf Impedanzanpassung der Zuleitung basierenden Gütemessverfahrens stellt den zweiten inhaltlichen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Diese neue Methode ermöglicht die Durchführung von Gütemessungen bei starker Ankopplung, was mit konventionellen HF-Messverfahren nicht realisierbar ist.

In a collaboration between Gesellschaft für SchwerIonenforschung (GSI), Johannes Gutenberg Universität Mainz (JGU), Helmholtz-Institut-Mainz (HIM) and Goethe-Universität Frankfurt (GUF), the superconducting continuous-wave linear accelerator HEmholtz LInear ACcelerator (HELIAC) is currently under development. Its primary application is to continue and intensify Super Heavy Element (SHE) research at GSI, especially since the existing UNIversal Linear ACelerator (UNILAC) will no longer meet the requirements for SHE experiments after undergoing an upgrade and a conversion to serve as the injector for the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) project. Within the Advanced Demonstrator project, the first section of the superconducting accelerator will be commissioned, which involves four superconducting Crossbar H-Mode (CH) cavities. The special requirements of beam operation demand the cavities to be operated in the so-called strongly coupled state. This mode of operation leads to a considerable increase of Radio-Frequency (RF)-power demand, while simultaneously preventing the determination of the resonator quality-factor, the latter being essential for the characterization of the RF cavities. The objective of this thesis is to address both of these resulting challenges. The focus of the investigations carried out in the present work, lay firstly on the development and testing of an RF coupler designed to meet the increased power demand. In addition to optimizing the RF properties, the heat input to the cryostat was to be minimized during reliable continuous operation. The development of a quality factor measurement method based on impedance matching of the supply line represents the second substantive focus of this work. This method allows the measurement of the quality-factor at strong coupling, which is not possible with conventional RF-measurement methods.