6 Kalttest der Demonstrator-Kavität
Abbildung 6.14: Röntgenspektrum der Kavität bei einem Gradienten von 5,8 MV/m, gemes-senen an der Außenwand des Kryostaten. Die maximale Photonenenergie beträgt 379 keV.
zugehörigen gemessenen Leistungen. Die Spannung in der Kavität ließ sich nun unab-hängig vom Leistungspegel durch die Messung von Pt über Gleichung 6.2 bestimmen.
Für die pegelabhängige intrinsische Güte Qhigh0 (E)gilt:
Qhigh0 (E) = Ua2 Ra
Q0
Pc
= B2Pthigh Ra
Q0
Pfhigh −Prhigh−Pthigh (6.4) Zusammen mit Gleichung 6.3 kann dies auch zu
Qhigh0 (E) =Qlow0 Pflow−Prlow−Ptlow Pfhigh−Prhigh−Pthigh
! Pthigh Ptlow
!
(6.5) umgeschrieben werden. Durch Messung der KalibrierkonstantenBbei kleinen Pegeln und mit Hilfe von Gleichung 6.4 konnte schließlich dieQ-E-Kurve aufgenommen werden. Vor-ab wurde die Kavität jedoch zur Validierung des HF-Messsystems für ca. 30 Minuten mit einem hohen Gradienten von etwaEa =5,8 MV/m im Dauerstrichmodus betrieben und das zugehörige Röntgenspektrum an der Außenwand des Kryostaten auf Höhe der Ka-vität aufgenommen. Die Röntgenstrahlung entsteht aufgrund von Feldemission. Hierbei werden Elektronen aus der Stirnoberfläche eines Driftrohrs durch die anliegenden hohen Felder herausgelöst und zum benachbarten Driftrohr beschleunigt. Beim Aufprall auf das Driftrohr erzeugen sie wiederum ein kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum. Abbil-dung 6.14 zeigt den Verlauf des gemessenen Spektrums. Die maximale Energie, bei der sich der Untergrund und das eigentliche Spektrum schneiden, betrug 379 keV. Dies ent-spricht der Energie eines Elektrons, welches sich in Spalt 8 der Kavität befindet und dabei eine Spaltspannung von U0, Gap8 = 379keV erfährt. Im Vergleich hierzu lagen die Werte der Leistungsmesser etwa 3 % darunter, weshalb die jeweiligen Messwerte entsprechend
6.4 Bestimmung der Leistungsfähigkeit
0 2 4 6 8 1 0
1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 1 0
Q 0 ( u n k o n d i t i o n i e r t ) Q 0 ( k o n d i t i o n i e r t )
Q e
D e s i g n c w - L I N A C
Q0 E a / ( M V / m )
Abbildung 6.15: Verlauf der intrinsischen Güte als Funktion des Beschleunigungsgradienten für unterschiedliche Messkampagnen. Bei etwa 7 MV/m fällt Q0 auf den Wert von Qe und es herrscht kritische Ankopplung.
korrigiert wurden. In Abbildung 6.15 sind zwei gemesseneQ-E-Kurven zu unterschiedli-chen Zeitpunkten während des Kalttests dargestellt. Zu Beginn des Kalttests, noch wäh-rend der Konditionierungsphase, wurde die erste Kurve (unkonditioniert, rote Kurve) aufgenommen. Die lokalen Einbrüche der Güte bei 1,1 MV/m, 2,5 MV/m und 3,1 MV/m sind dabei charakteristisch für das Auftreten von Multipacting (s. Abschn. 6.3) und be-kunden den zu diesem Zeitpunkt unvollständigen Konditionierungszustand der Kavität.
In dieser Phase lag der maximal erreichbare Gradient bei 4,8 MV/m. Nach dem Kondi-tionieren der Kavität wurde die Messung derQ-E-Kurve wiederholt (konditioniert, blaue Kurve). In diesem Fall konnte ein wesentlich höherer Gradient von Ea =6,9 MV/m er-zielt werden, was einer effektiven Spannung von 4,2 MV bei einer gespeicherten Energie von W = 4,1 J entspricht. Hierzu war im Rahmen der Ankopplung eine Leistung von etwa Pc = 23,8 W bei einer Vorwärtsleistung von 24,5 W nötig. In der Mitte der Kavi-tät wurden bzgl. des maximalen Gradienten Amplitudenspaltspannungen U0 von bis zu 436 kV erreicht (s. Abb. 6.16). Dies übertrifft sogar die für den eigentlichen Strahlbetrieb vorgesehene maximale Spannungsamplitude bei Ea=5,5 MV/m um 29 %. Die zugehöri-gen magnetischen und elektrischen Oberflächenfelder lazugehöri-gen bei 39,3 mT bzw. 43,5 MV/m.
Weiterhin zeigt der Verlauf der Q-E-Kurve nach Konditionierung der Kavität keinerlei Einflüsse von Multipacting, jedoch fällt die Güte, wie zuvor im unkonditionierten Fall, mit zunehmendem Gradienten stark ab. Dieses typische Verhalten deutet auf ein frühes Auftreten von Verlustmechanismen wie beispielsweise Feldemission bei bereits einigen MV/m hin. Der Grund dafür liegt in der unzureichenden Oberflächenpräparation, da die Kavität wie bereits erwähnt, nur entlang der Strahlachse und nicht über die Quadran-ten mit dem Hochdruckspülverfahren behandelt wurde. Unter Berücksichtigung dieses Umstandes ist die Leistungsfähigkeit der Kavität allerdings deutlich besser als zuvor er-wartet und übertrifft sogar die Designvorgabe des geplanten cw-LINACs (s. Abb. 6.15, schwarzer Stern). Zudem sind die Ergebnisse insofern vielversprechend, als dass eine
zu-6 Kalttest der Demonstrator-Kavität
künftige Nachbesserung der Oberfläche eine deutliche Leistungssteigerung der Kavität bedingen sollte. Ein thermaler Zusammenbruch konnte während des gesamten Leistungs-tests nicht festgestellt werden, was auf eine gute thermische Eigenschaft der Kavität schließen lässt. Des Weiteren ändert sich durch das Absinken der Güte auch die Kopp-lungsstärke. Entsprechend macht sich dies im Ein- bzw. Ausschwingverhalten hinsichtlich der reflektierten Leistung bemerkbar. Bei einem Gradienten von etwa 7 MV/m wird eine kritische Ankopplung erreicht, weil die intrinsische Güte Q0 auf den Wert der externen Güte (s. Abb. 6.15, graue Gerade) von Qe =1,97·108 abgefallen ist. Demzufolge sinkt die reflektierte Leistung Pr im Gleichgewicht gegen null und die beiden Peaks des zu-gehörigen Signals befinden sich annähernd auf gleichem Niveau (s. Abb. 6.17, hellblaue Kurve).
Abbildung 6.16: Verteilung der Amplitudenspaltspannungen U0 bzgl. des für den Betrieb vorgesehenen Gradienten von 5,5 MV/m und des maximal erzielten Gradienten von 6,9 MV/m, bei dem im Dauerstrichbetrieb eine Spitzenspannung von bis zu 436 kV erreicht wurde.
Abbildung 6.17: Die Abnahme der Güte bei hohen Feldpegeln bewirkt eine Absenkung der Kopplungsstärke βe, was sich am Verhalten des reflektierten Signals beobachten lässt.
6.4 Bestimmung der Leistungsfähigkeit
Darüber hinaus konnte das Auftreten von anormalen Verlusten innerhalb der Kavität durch entsprechende Leistungsmessungen bestätigt werden. Abbildung 6.18 zeigt die Messung der in der Kavität aufgetretenen Gesamtverluste als Funktion des Gradienten im Vergleich zu den erwarteten rein ohmschen Verlusten unter Annahme einer konstan-ten Güte. Ab etwa 2–2,5 MV/m steigt die dissipierte Leistung Pc in der Kavität stärker an als erwartet. Zudem ist in der logarithmischen Darstellung der Verluste (s. Abb. 6.18 rechts) erkennbar, dass die Gesamtverluste ab ca. 5 MV/m bei steigendem Ea stärker zunehmen, was auf die Aktivierung eines Feldemissionszentrums in diesem Bereich hin-deutet. Hierbei betragen die elektrischen Spitzenfelder ca. 13–43 MV/m. Rein theoretisch
0 1 2 3 4 5 6 7
1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2
Pc / W E a / ( M V / m )
G e s a m t v e r l u s t e O h m s c h e V e r l u s t e
Abbildung 6.18:Gemessene Gesamtverluste innerhalb der Kavität als Funktion des Beschleu-nigungsgradienten im Vergleich zu den rein ohmschen Verlusten in linearer (links) und loga-rithmischer Darstellung (rechts).
0 1 2 3 4 5 6 7
05
1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
Pc (nicht-ohmsch) / W E a / ( M V / m )
0 1 2 3 4 5 6 7
1 0 - 3 1 0 - 2 1 0 - 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2
Pc (nicht-ohmsch) / W E a / ( M V / m )
Abbildung 6.19: Exponentielles Wachstum der nicht-ohmschen Verluste innerhalb der Ka-vität bei hohen Gradienten in linearer (links) und logarithmischer (rechts) Darstellung. Die Regressionsgeraden deuten auf zwei Emissionszentren hin.
6 Kalttest der Demonstrator-Kavität
tritt Feldemission jedoch erst bei einigen GV/m auf, weshalb vermutlich Feldemitter an der Driftrohroberfläche für eine lokale Feldüberhöhung sorgen. Bei Betrachtung der zu-gehörigen rein nicht-ohmschen Verluste aus Abbildung 6.19 wird dieser Zusammenhang deutlich. Aufgrund von Feldemission steigen die nicht-ohmschen Verluste zunächst über-proportional und schließlich exponentiell an. Die Regressionsgeraden aus der logarith-mischen Darstellung in Abbildung 6.19 (rechts) lassen sogar auf die Aktivierung eines weiteren Emissionszentrums bei etwa 2,5 MV/m schließen.
Mit Hilfe des zugehörigen Fowler-Nordheim-Graphen aus Abbildung 6.20 kann das Maß der lokalen Feldüberhöhung an den Emittern in Form des Korrekturfaktors βF N über die Steigung m der Regressionsgeraden ermittelt werden. Dabei gilt:
βF N = BF Nφ3/2
m (6.6)
Mittels der Austrittsarbeit aus Niob von φ = 4,4 eV und des FN-Koeffizienten BF N = 6,83·103 ergab sich für den Korrekturfaktor:
βF N = 403
Bei Multiplikation der oben genannten elektrischen Spitzenfelder auf der glatten Ober-fläche der Kavität mit βF N ergeben sich für das Auftreten von Feldemission durchaus realistische Werte von 5–17 GV/m.
Abbildung 6.20: Fowler-Nordheim-Graph des Emitterstroms, gemessen bei hohen Beschleu-nigungsgradienten zur Bestimmung des Korrekturfaktors βF N.