Aufbau einer Rezirkulation für supraleitenden Elektronenbeschleuniger
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der supraleitende Elektronenbeschleuniger der TU Darmstadt (S-DALINAC) wurde im Jahre 1991 mit zwei Rezirkulationsstrahlführungen in Betrieb genommen. Zur Beschleunigung werden supraleitende Beschleunigungsresonatoren eingesetzt. Eine zentrale Größe dieser Strukturen ist die so genannte Güte, die ein Maß für die von der Kavität gespeicherten Energie darstellt. Je kleiner die Güte ist, desto höher sind zusätzlich die Verluste an das zur Kühlung verwendete Heliumbad. Eine Kompensation kann beispielsweise durch eine Begrenzung der Beschleunigungsgradienten geschehen. Die in der Planungsphase des S-DALINAC angenommene, mögliche Güte der supraleitenden Beschleunigungsresonatoren konnte leider nicht erreicht werden, so dass die maximale Designenergie von 130 MeV vor der Beschaffung des Großgeräts „Dritte Rezirkulation“, über dessen Einsatz hier berichtet wird, nicht erzielt werden konnte. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der maximal erreichbaren Endenergie im Rahmen der von den Kavitäten vorgegebenen Güten und damit Verlustleistungen an das umgebende Heliumbad und im Rahmen der von dem Heliumverflüssiger zur Verfügung gestellten Kälteleistung ist eine erneute Nutzung des supraleitenden Hauptbeschleunigers und damit der Einbau einer weiteren, dritten Rezirkulationsstrahlführung. Zusätzlich zur Erhöhung der Endenergie bietet diese Strahlführung die Option, den S-DALINAC als Energy Recovery Linac (ERL) betreiben zu können. Dafür wird die von den Elektronen zurückgelegte Strecke durch fahrbare Magnete derart verkürzt oder verlängert, dass die Phase, zu der die Elektronen nach dem Durchqueren der dritten Rezirkulation den Hauptbeschleuniger erreichen, um 180° im Vergleich zur Phase der Hochfrequenz verschoben wird. Durch die so durchgeführte Phasenverschiebung erreichen die Elektronen im Minimum des hochfrequenten Wechselfeldes die Beschleunigungsstrukturen. Sie geben so ihre Energie an die Kavität ab und werden dabei gebremst. Nach dem Abbremsen wird der Strahl mit weniger Leistung gestoppt. Somit wird weniger Energie zum Kühlen des Strahlfängers benötigt und die Aufaktivierung wird reduziert. Die an die Strukturen zurückgegebene Energie wird für die Beschleunigung der nächsten Elektronen eingesetzt. Somit wird bei der Beschleunigung Leistung gespart oder aber es können im ERL Modus höhere Strahlströme bei gleich bleibender Hochfrequenzleistung beschleunigt und wieder abgebremst werden. Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der ERL ist weltweit ein hochaktuelles Thema. Durch das beschaffte Gerät „Dritte Rezirkulation“ wurde in den Jahren 2015/2016 der S-DALINAC für Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der ERL vorbereitet und die Möglichkeit geschaffen, höhere Endenergien für die Experimente zur Kernstrukturphysik zu erzielen. Im August 2017 konnte der S-DALINAC erstmals als ein einfach-rezirkulierender ERL betrieben werden und wurde damit der erste ERL in Betrieb in Deutschland. Zeitgleich ist er aktuell der einzige supraleitende ERL in Betrieb weltweit, was in der Teilchenbeschleuniger-Community derzeit große Beachtung findet. Diese Erfolge konnten nur durch den Einbau des Großgeräts „Dritte Rezirkulation“ realisiert werden, das die beschriebene Phasenänderung von 180° ermöglicht. Zusätzlich konnte die neue Strahlführung bereits für weitere, erfolgreiche Experimente in der Beschleunigerphysik und in der Kernstrukturphysik eingesetzt werden. So konnte beispielsweise die Strahleinstellung in der neu eingebauten Strahlführung soweit optimiert werden, dass erstmals der Designstrom am S-DALINAC von 20 µA im rezirkulierten Betrieb erreicht werden konnte. Das neu aufgebaute Gerät „Dritte Rezirkulation“ konnte zusätzlich erfolgreich den Strahl für Experimente zur Inbetriebnahme eines sogenannten Elektronenstrahl-Scraper-Systems zur Optimierung der Energieauflösung für kernphysikalische Elektronenstreu-Experimente zur Verfügung stellen. Das große Potential dieses Geräts in Bezug auf Forschung auf dem Gebiet der ERL und für den regulären Experimentierbetrieb am S-DALINAC wurde damit bereits gezeigt und wird in Zukunft insbesondere im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1245 zur kernphysikalischen Grundlagenforschung und im Graduiertenkolleg 2128 zur Erforschung von ERL weiter genutzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einsatz mobiler Lasermesstechnik zur Aufnahme von Strahlführungselementen eines Elektronenlinearbeschleunigers, 15. Oldenburger 3D Tage 2016, Edition 1, Tagungsband im Wichmann Verlag, Hrsg.: Th. Luhmann / Ch. Schumacher (2016) 307
C. Eschelbach, M. Lösler, P. Winkemann, M. Arnold, N. Pietralla
- Final Design and Status of the Third Recirculation for the S-DALINAC, Proceedings of IPAC 2016, Busan, Korea (2016) 1717
M. Arnold, F. Hug, T. Kürzeder, N. Pietralla
(Siehe online unter https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2016-TUPOR026) - Challenges of a Stable ERL Operation Concerning the Digital RF Control System of the S-DALINAC, Proceedings of IPAC 2017, Copenhagen, Denmark (2017) 3951
M. Steinhorst, M. Arnold, U. Bonnes, C. Burandt, T. Kürzeder, N. Pietralla
(Siehe online unter https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2017-THPAB099) - Construction and Status of the Thrice Recirculating S-DALINAC, Proceedings of IPAC 2017, Copenhagen, Denmark (2017) 1384
M. Arnold, C. Eschelbach, R. Grewe, F. Hug, T. Kürzeder, M. Lösler, J. Pforr, N. Pietralla
(Siehe online unter https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2017-TUPAB030) - Construction of a Third Recirculation for the S-DALINAC, Proceedings of LINAC 2016, East Lansing, MI, USA (2017) 168
M. Arnold, F. Hug, T. Kürzeder, J. Pforr, N. Pietralla, M. Steinhorst
(Siehe online unter https://doi.org/10.18429/JACoW-LINAC2016-MOPLR014) - Einsatz mobiler Lasermesstechnik bei der Erfassung von Strahlführungselementen eines Elektronenlinearbeschleunigers, Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (AVN), Vol. 124(3) (2017) 61-69
C. Eschelbach, M. Lösler, P. Winkemann, M. Arnold, N. Pietralla
- S-DALINAC: Energie erfolgreich zurückgewonnen, Physik Journal 10/2017
K. Sonnabend
- Time-of-Flight Measurements and Analysis of the Longitudinal Dispersion at the S- DALINAC, Proceedings of IBIC 2017, Grand Rapids, MI, USA (2018) 57
T. Bahlo, F. Schließmann, M. Arnold, J. Pforr, N. Pietralla
(Siehe online unter https://doi.org/10.18429/JACoW-IBIC2017-MOPCC08)
