Dutine, Manuel (2024)
Entwicklung und Test einer Strahlpositionsmessung für den mehrfach rezirkulierenden ERL-Betrieb des S-DALINAC.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027838
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der S-DALINAC ist ein supraleitender rezirkulierender Elektronenbeschleuniger, der im cw-Betrieb bei einer Frequenz von 3 GHz arbeitet. Durch die Implementierung eines Weglängenanpassungssystems, das eine 360°-Phasenverschiebung ermöglicht, kann der Beschleuniger als Energy-Recovery-LINAC (ERL) betrieben werden. Der mehrfach rezirkulierende (multi-turn) ERL-Betrieb wurde im Jahr 2021 demonstriert. Beim Betrieb des Beschleunigers in diesem Modus gibt es zwei Strahlen in derselben Strahlführung, den einfach beschleunigten und den bereits einfach abgebremsten Strahl, mit einer longitudinalen Phasendifferenz von 180° und möglicherweise deutlich abweichenden Transversalpositionen. Eine Messung dieser Strahlpositionen muss zwangsweise nicht-destruktiv erfolgen, sonst kann der Betriebsmodus nicht aufrechterhalten werden. In dieser Arbeit wurden zwei Messsysteme entwickelt und konstruiert, die beide den notwendigen Anspruch der nicht-Destruktivität erfüllen und darüber hinaus bei Strahlströmen von 100 nA und weniger, wie sie beim Strahleinstellen genutzt werden, verwendet werden können. Als erste Messmethode wurde ein Hochfrequenz (HF)-Positionsmonitor mit einer Resonanzfrequenz von 6 GHz, die der doppelten Betriebsfrequenz des S-DALINAC entspricht, entworfen und dessen geometrische Kenngrößen durch Simulationen bestimmt. Der Monitor wurde so designt, dass er zwei Zellen besitzt, jeweils eine dedizierte Zelle für die Messung der horizontalen und vertikalen Strahlposition. Auf Basis der simulierten Geometrieparameter wurde der Monitor konstruiert und anschließend Frequenz und Kopplung abgestimmt. Im Rahmen einer Kommissionierungsmessung konnte erfolgreich eine Abhängigkeit der Signalstärke von der Vertikalposition des einfach abgebremsten Strahls gemessen werden. Weiterhin konnte eine Kalibrationsmessung mit dem einfach beschleunigten Strahl durchgeführt werden, wobei die Positionsgenauigkeit des Monitors abseits der Resonatormitte zu 30 μm für die vertikale Position und 50 μm für die horizontale Position bestimmt wurde. Als zweite Messmethode wurde ein Drahtscanner konstruiert, bei dem zwei Wolframdrähte mit jeweils einem Radius von 50 μm durch den Strahl gefahren werden und die so verursachte Sekundärteilchenrate detektiert werden kann. Eine spezielle Datenaufnahme ermöglicht Datenraten von bis zu 420 Hz. Dadurch war es möglich eine auf dem Strahl liegende 50 Hz-Störung genauer zu untersuchen. Der Drahtscanner wurde erfolgreich dazu verwendet die Strahlpositionen beider Strahlen im multi-turn ERL-Betrieb zu messen. Dabei wurde eine Messgenauigkeit der Position von etwa 100 μm erreicht. In der Gegenüberstellung beider Messmethoden zeigt sich, dass der HF-Monitor einen höheren Auslegungs-, Fertigungs- und Kalibrationsaufwand erfordert. Allerdings stellt er am S-DALINAC zurzeit die einzige Möglichkeit dar, die Strahlposition nicht-destruktiv und dauerhaft zu messen. Der Drahtscanner weist eine einfachere Handhabung auf und zeigt eine höhere Zeitauflösung, allerdings ist die Messdauer von bis zu 30 Sekunden zu lang, um ihn beim Einstellen des Strahls effizient verwenden zu können.

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