Dynamische Tuner

3.2 Frequenztuning

Typ 1 (d= 24mm) zu bestücken (s. Kap. 5.2). Werden alle Tuner in der beschriebenen Konfiguration parallel auf eine maximale Höhe von 70 mm gefahren, führt dies zu einem Absinken der Resonanzfrequenz um −5,4 MHz, was einem prozentualen Frequenzhub von etwa 2,5 % entspricht. Bezogen auf die maximale Einschubhöhe beträgt der Volu-menanteil der neun statischen Tuner hinsichtlich des gesamten, ungestörten Volumens der Kavität etwa 5,1 %. Tabelle 3.2 fasst den theoretisch möglichen Frequenzhub für die untersuchten Tunertypen bzw. -konfigurationen bei einer maximalen gemeinsamen Einschubhöhe von 70 mm zusammen. Neben dem kapazitiven Einfluss auf die Frequenz können die statischen Tuner auch entsprechend auf die elektrische Feldverteilung entlang der Strahlachse wirken. Abbildung 3.8 zeigt die simulierte Feldverteilung für vier ver-schiedene Tunerhöhen bzgl. der oben beschriebenen finalen Tunerkonfiguration. Beide Tunertypen erhielten in diesem Fall jeweils eine identische Einschubtiefe. Prinzipiell ist die elektrische Feldverteilung der 217 MHz CH-Kavität relativ unempfindlich gegenüber dem Einfluss der statischen Tuningkörper, da die einzelnen HF-Zellen untereinander stark gekoppelt sind. Erst ab einer Höhe von ca. 60 mm ist der Einfluss der Tuner auf die Feldverteilung bemerkbar. Während die Feldamplituden im niederenergetischen, lin-ken Bereich der Kavität leicht ansteigen, fallen sie im gleichen Verhältnis zum Ende der Kavität hin ab. Grund hierfür ist das geringere Verdrängungsvolumen der Tuner vom Typ 1, die sich im rechten Bereich der Struktur befinden. Die Tuner vom Typ 2 bewirken hingegen aufgrund ihres größeren Volumens einen stärkeren lokalen Kapazi-tätsanstieg, weshalb das elektrische Feld an diesem Ort ansteigt. Eine Tunerhöhe von 80 mm führt schließlich zu einer stark inhomogenen Amplitudenverteilung, die für den Betrieb ungeeignet ist.

3 Auslegung der Resonatorgeometrie

Dabei wird die langsame Einheit meist mit einem kryotauglichen Schrittmotor ange-trieben. Ihre Aufgabe besteht hauptsächlich in der Kompensation von statischen Fre-quenzverstimmungen, die beispielsweise durch den Evakuierungs- oder den Abkühlpro-zess entstehen. Hierzu ist ein relativ großer Frequenzhub bis zu einigen hundert kHz notwendig, was einer Längenänderung des Tuners um einige mm entspricht. Die schnel-le Tuningeinheit ist hingegen ausschließlich für den Ausgschnel-leich schnelschnel-ler, dynamischer Frequenzänderungen im Bereich von einigen hundert Hz mit Anstiegsgeschwindigkeiten von etwa 0,01µm/µs zuständig. Derart komplizierte Anforderungen beanspruchen eine Auslenkung des Tuners im µm-Bereich bei einer sehr hohen Auflösung im nm-Bereich.

Solche komplexen Anforderungen werden durch den Einsatz spezieller Piezoaktoren um-gesetzt. Eine Abweichung von der Resonanzfrequenz führt zwangsläufig immer zu einer Phasenverschiebung sowie zu einer Änderung der Feldamplitude innerhalb der Kavität, was wiederum zu einer Verschlechterung der Strahlqualität bis hin zum Strahlverlust führen kann. Demnach ist die Verwendung eines dynamischen Tuningsystems für den regulären Betrieb einer supraleitenden Kavität unerlässlich.

Die meisten mechanischen Frequenztuner basieren auf einer äußeren Deformation des Resonators durch relativ große externe Kräfte. Im Falle supraleitender CH-Strukturen nimmt der Aufbau eines solchen Frequenztuners unnötig viel longitudinalen Raum in Anspruch und bewirkt dadurch eine deutliche Verschlechterung der Strahldynamik. Au-ßerdem wird bei diesem Tuningkonzept die Länge des Endspaltes variiert und infolge-dessen das elektrische Feld auf der Strahlachse negativ beeinflusst. Aus diesem Grund wurde in den vergangenen Jahren ein neuartiges, optimiertes Tuningkonzept speziell für supraleitende CH-Kavitäten entwickelt. Ähnlich zu dem Konzept der statischen Tuner aus Abschnitt 3.2.1 werden hierbei dynamische Balgtuner in das Resonatorinnere ein-geschweißt. Mit zunehmender Höhe bzw. Auslenkung ∆h wirken sie ebenfalls kapazitiv und sorgen so für eine Absenkung der Resonanzfrequenz. Die Auslenkung des Tuners er-folgt dabei über einen Schrittmotor bzw. Piezoaktor, welcher die notwendige Kraft von außen auf die Antriebsstange des Balgs überträgt. In diesem Zusammenhang muss die langsame Einheit des dynamischen Balgtuners, welche über einen transversal an den He-liummantel der Kavität montierten Schrittmotor angetrieben wird, einen Frequenzhub von einigen hundert kHz bei einer maximalen Auslenkung von ±1mm unter kryoge-nen Temperaturen bereitstellen. Die schnelle Einheit des Tuners erfährt hingegen über den Piezoantrieb eine Auslenkung von wenigenµm in ihrem Wirkungsbereich, wodurch einige hundert Hz zum Tunen schneller Frequenzänderungen zur Verfügung stehen. Ab-hängig vom Aufbau der entsprechenden CH-Kavität kann die Anzahl an eingesetzten Balgtunern sowie ihre geometrische Form im Detail unterschiedlich ausfallen. Im Hin-blick auf ein möglichst flexibles Tuning mit ausreichend hohem Frequenzhub und auf eine mögliche Betriebsstörung der Tuningeinheit, sollte jede supraleitende CH-Kavität über mindestens zwei dynamische Tuningsysteme verfügen. Grundsätzlich ist eine in-dividuelle, geometrische Anpassung des verwendeten Balgtuners an die Gegebenheiten der jeweiligen Kavität unabdingbar. Durch HF-Simulationen wurden die wesentlichen Parameter des Balgtuners, wie Durchmesser, Höhe bzw. Arbeitspunkt und

Frequenz-3.2 Frequenztuning

Dynamischer Tuner 44,0

Schweißfläche

32,0 3,5 68,0

19,5

Antriebsstange

Abbildung 3.9: Finale Geometrie des dynamischen Balgtuners (links, Einheiten in mm).

Simulation des erreichbaren Frequenzhubs für drei dynamische Balgtuner der supraleitenden 217 MHz CH-Kavität (rechts). Bei einem Arbeitspunkt von 68 mm Höhe wird der Balg bei 4,2 K um maximal±1mm ausgelenkt.

hub, für die 217 MHz CH-Kavität festgelegt. Darüber hinaus fand eine Optimierung der Geometrie hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und ihrem Verhalten beim Auftre-ten kritischer Feldstärken statt. In diesem Zusammenhang ergab sich ein sechszelliger Balg mit einem Zellenabstand von 3,5 mm und einer Wandstärke von 1 mm als optimale Geometrie hinsichtlich des maximal auftretenden Materialstresses bzw. der Material-spannung und der Anfälligkeit für Multipacting. Im Bereich des verbreiterten Aufsatzes wurde aufgrund der dadurch erhöhten mechanischen Stabilität eine dickere Wandstärke von 2 mm gewählt [Amberg 2015].

Um den Einfluss des dynamischen Tuners auf das Verhalten der Kavität zu bestimmen, wurde die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Einschubhöhe bzw. der Auslenkung des Tuners berechnet. Analog zum Fall der statischen Tuner wurden hierbei ebenfalls verschiedene, zylindrische Grundformen untersucht. Schließlich stellte sich auch hier die Verwendung eines 44 mm breiten Aufsatzes im oberen Bereich des Tunerkörpers als effek-tive Methode heraus, um eine ausreichend hohe kapazieffek-tive Wirkung zu erzielen und die Frequenz entsprechend stark beeinflussen zu können (s. Abb. 3.9). Im Bereich der Lamel-len ergab sich hinsichtlich der mechanischen Stabilität eine maximale, transversale Breite des Tuners von 32 mm, während die Schweißfläche über ein gangbares, transversales Ein-baumaß von 26,5 mm verfügt. Basierend auf den durchgeführten Simulationen wurde der Arbeitspunkt des dynamischen Tuners auf 68 mm festgelegt. In diesem Kontext waren keinerlei Einschränkungen durch überhöhte elektrische Spitzenfelder zu beobachten. Bei einer mechanischen Auslenkung von ±1mm, ausgehend vom Arbeitspunkt, kann mit-tels dieser Geometrie ein Frequenzhub von etwa −64kHz/mm bzw. +54kHz/mm pro eingesetztem Tuner erreicht werden. Die 217 MHz CH-Kavität wurde insgesamt mit drei dynamischen Balgtunern ausgestattet, um den benötigten Frequenzhub bereitzustellen.

3 Auslegung der Resonatorgeometrie

Während alle drei als langsame Tuner fungieren, soll im Betrieb maximal eine schnel-le Tuningeinheit operieren, um ein Gegeneinanderwirken zu verhindern. Demzufolge ist bei maximaler mechanischer Auslenkung aller drei Balgtuner um ±1mm ein totaler Frequenzhub von −193kHz/mm bzw. +162kHz/mm möglich (s. Abb. 3.9 rechts).