Arnold, Michaela (2017)
Auslegung, Planung und Aufbau einer dritten Rezirkulation mit ERL-Modus für den S-DALINAC.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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