3.2 Bauelemente und Beschleunigerstrukturen
3.2.1 EZR-Ionenquelle und LEBT-Sektion
Man unterscheidet zwischen Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen mit f < 2.45GHz zur Erzeugung intensiver Strahlen niedrig geladener Ionen und solchen mit f > 2.45GHz f¨ur Strahlen hoch geladener Ionen.
10engl.
”duty factor “ist das Verh¨altnis der zeitlichen L¨ange eines Pulses zur Periodenzeit der Pulsung. [vgl. (6) S. 7]
Aufbau und Funktionsweise: Die Funktionsweise einer solchen Quelle ist in Abbildung (3.4) verdeutlicht. Hierbei wird eine Mikrowelle (Zyklotron-Resonanz11) in eine Kammer eingef¨uhrt.
Es kommt zur Erh¨ohung der kinetischen Energie freier Elektronen, die durch Ionisation (Stoß-und Transportprozesse) der Neutralgasatome ein Plasma erzeugen. Der magnetische Einschluß dieses Plasmas erfolgt in der Regel durch Solenoidspulen (axial, Spiegelkonfiguration) und Permanentmagnete in Multipolanordnung, (radial, Minimum-B-Feld-Konfiguration). Es gilt: Je besser der magnetische Einschluß ist, umso h¨oher geladene Ionen kann man erzeugen.
Das EZR-Plasma: Das
”Aufheizen“ des Plasmas durch die Elektron-Zyklotron-Resonanz wird erst optimal, wenn der elektrische Feldvektor der eingekoppelten Mikrowelle senkrecht zu den statischen Magnetfeldern rotiert (zirkulare Polarisation). Somit erf¨ahrt jedes Elektron w¨ahrend einer Halbwelle des elektrischen Feldes einen Energiezuwachs. Als Resonanzbedin-gung einer Mikrowellenheizung gilt ωc = eBm
e mit f = 2π·meB
e = 2.796·1010·B[T]. Der Ioni-sationsgrad innerhalb des Plasmas als das Verh¨altnis der Neutralteilchendichte n0 ¨uber alle Ladungszustandsdichten nz summierten Dichte der Ionenn+= P
nz liegt f¨ur ERZ-Plasmen bei
n+
(n0+n+) ≈0.9 [vgl.(16)]. Innerhalb eines EZR-Plasmas gilt, neben der Elektronenstoß-Ionisation (Elektron Impact Ionization, EII) und dem Ladungsaustausch (Charge Exchange, CX) die einfache Elektronenstoß-Ionisation (Single Electron Impact Ionization, S-EII) als wichtiger ladungs¨andernder Prozess. Hierbei wird bei einem Stoß soviel Energie auf ein H¨ullen-Elektron ubertragen, dass dieses die H¨¨ ulle verl¨asst und das Atom/Ion in einem erh¨ohten Ladungzu-stand zur¨uckl¨asst: e−+Az+ →a(z+1)+ 2e−. Die mittlere ben¨otigte Ionisationsenergie Eion in Abh¨angigkeit von der ElektronenenergieEeist dabei wie folgt definiert:→Eion = ln(E1
e) [vgl.(16)]
Abbildung 3.4: Funktionsweise einer EZR-Ionenquelle. Neutralgasatome sowie eine eingekop-pelte Zyklotron-Resonanz-Frequenz sorgen f¨ur die Erzeugung eines Plasmas. Der Einschluß dieses Plasmas geschieht anhand von Solenoiden und Permanentmagneten. Die anliegende Extraktionsspannung transportiert den Strahl aus der Plasma-Kammer in den nachfolgenden 4-ROD-RFQ.
11resonante Absorption elektromagnetischer Wellen durch geladene Teilchen (zum Beispiel durche−im leitenden Medien), die sich in einem konstanten Magnetfeld befinden
Die EZR-Ionenquelle f¨ur MYRRHA:Hier kommt eine Monogan M-1000 Quelle der Firma Pantechnik zum Einsatz. Sie wird mit f = 2.45GHz und einer Radiofrequenzleistung von 1.2 kW betrieben. Ihre Extraktionsspannung betr¨agt 30 kV [vgl.(8)]. Der Aufbau dieser Quelle zeichnet sich durch zwei magnetische Ringe aus, die einen axialen und radialen Plasmaeinschluß ohne den Gebrauch von Multipolen und Solenoiden erm¨oglichen [vgl.(17)].
LEBT-Sektion: Der anschließende LEBT-Bereich beinhaltet zwei Solenoide sowie zwei Kolli-matoren zur Erzeugung eines parallelen Strahlverlaufs beziehungsweise zur Strahlanpassung (B¨undelung) an die nachfolgende RFQ-Apertur (siehe Abbildung (3.5)).
LEBT-Strahlausgangsparameter Werte RMS-Emittanz (transversal) <0.2mmmrad
Twissparameter (α) 0.88
Twissparameter (β) 0.04 mm/mrad Tabelle 3.2: Strahlparameter der LEBT-Sektion. [(8)]
Abbildung 3.5: Simulierter Strahltransport durch die LEBT-Sektion. Die Strahlanpassung an die RFQ-Apertur erfolgt durch eine Einzellinse zur Fokussierung, einer Blende zur Kollimation des Strahls (1.2 m) sowie eines Solenoids zur B¨undelung f¨ur den Transport in die RFQ-Apertur [vgl.(8) S.89]
.
3.2.2 4-Rod-RFQ
Die RFQ (Radio-Frequenz-Quadrupol)-Struktur wurde erstmals 1970 von den Russen Kapchins-kiy und Teplyakov vorgeschlagen. Aufgrund der Effizienz, die sich aus einer gleichzeitigen Fokussierung UND Beschleunigung (elektrische Fokussierung bei niedrigen Energien) dieser Struktur ergibt, finden diese ihren Einsatz im Niederenergiebereich eines Linearbeschleunigers zumeist im direkten Anschluß an eine Ionenquelle. Neben einer Fokussierung und Beschleunigung pr¨apariert ein RFQ zus¨atzlich den kontinuierlichen Ionenstrahl in einen gepulsten, bei dem die Teilchen zu sogenannten Teilchenpaketen (Bunches) zusammengefasst werden. Diese k¨onnen von 0.3 MeV-5 MeV pro Nukleon ¨uber die gesamte Resonatorl¨ange beschleunigt und dabei gleichm¨aßig fokussiert werden, sodass es ¨uber die gesamte Wegstrecke hinweg keiner zus¨atzlichen Fokussierelemente mehr bedarf [vgl. (18) S.16].
Aufbau und Funktionsweise: Innerhalb des Resonators sorgen vier in transversale Richtung angeordnete Elektroden f¨ur die Entstehung eines hochfrequenten Quadrupolfeldes. Zur Beschleu-nigung in longitudinale Richtung wird auf die sonst glatten Elektroden ein sinusf¨ormiges Profil (Sinus-Modulation) aufgebracht (siehe Abbildung 3.6). Der Elektrodenabstand zur Sollachse in x-Richtung ist dabei maximal, wenn der in y-Richtung minimal ist und vice versa. Dabei wird der Minimalabstand a als Apertur bezeichnet, w¨ahrend sich der Maximalabstand maaus dem Produkt der Apertur (a) sowie der Modulation (m) zusammensetzt [vgl. (18)]. Der Abstand zwischen zwei Maxima/Minima definiert eineBeschleunigungszelle. Dabei variiert die L¨ange einer Einheitszelle mit der Teilchengeschwindigkeit. Die Synchronisationsbedingung lautet hierbei:
d= βγ. Der Abstand von Punkt A nach Punkt B (siehe Abbildung (3.6)) beschreibt die L¨ange einer Halbzelle, die einer Winder¨oe-Struktur (Synchronisationsbedingung: d= βγ2 ) entspricht.
Eine transversale Fokussierung kommt durch unterschiedliche Werte mit entgegengesetzten Vorzeichen der Potentiale zweier gegen¨uberliegender Elektroden zustande. So zeigt sich in der einen Ebene eine fokussierende und in der dazu senkrechten Ebene eine defokussierende Wirkung des Ionenstrahls. Um eine Beschleunigung der Protonen in longitudinale Richtung zu erzielen, muss die Polarit¨at nach jeder einzelnen Elektrodenzelle wechseln. Dabei erf¨ahrt das Teilchen mit der HF-Phasenlage ϕ= 0◦ die st¨arkste Beschleunigung, da es sich zu diesem Zeitpunkt am Ort der maximal anliegenden Spannung (Zellenmitte) befindet [vgl.(18)].
Abbildung 3.6: x- und x Elektroden mit aufgebrachter Sinus-Modulation.
Der RFQ f¨ur MYRRHA:Zur Beschleunigung auf eine Strahlenergie von 1.5 MeV kommt ein sogenannter 4-ROD-RFQ zum Einsatz. Dieser hat mit dem Max-Referenzdesign im Jahr 2012 den geplanten 4-VANE-RFQ im EUROTRANS-Design aufgrund folgender Vorteile abgel¨ost:
• einfachere Konfiguration
• kompaktere Bauweise
• keine Gefahr der Anregung benachbarter Moden, welche zur St¨orung der Strahldynamik f¨uhrt (keine Diplol-Mode wie 4-VANE-RFQ)
• mit f=176.1 MHz eine wesentlich h¨ohere Shunt-Impedanz als der 4-VANE bei doppelter Resonanzfrequenz
• geringere Wahrscheinlichkeit von elektrischen ¨Uberschl¨agen aufgrund einer niedrigeren Elektrodenspannung von Uef f = 44 kV (Uef f = 65 kV beim 4-VANE-RFQ)
Der 4.2m lange Resonator besteht aus insgesamt 46 St¨utzen (siehe Abbildung (3.7)). Mit einem Wert von 0.35M Vm ist die Beschleunigungseffizienz des RFQ im Vergleich zu den anschließenden normal- und supraleitenden CH-Kavit¨aten ausgesprochen niedrig. Da Temperaturunterschiede zu unerw¨unschten Effekten in den Materialien f¨uhrt (Verkr¨ummung der Elektroden), wurde zur Minimierung des Temperaturgradienten ein effektives K¨uhlsystem entwickelt. Hierbei sor-gen insgesamt f¨unf K¨uhlanschl¨usse pro St¨utze f¨ur eine ausreichende K¨uhlung der Elektroden und Tuningplatten (diese dienen zum Erreichen einer gleichm¨aßigen Feldverteilung) sowie der St¨utzenoberfl¨achen. Alle sonstigen, aus massivem Kupfer gefertigten Bauteile sind ebenfalls mit K¨uhlkan¨alen durchzogen [vgl.(8) S.89-92].
Abbildung 3.7: Der 4-ROD-RFQ f¨ur MYRRHA mit 46 St¨utzen und einer L¨ange von 4.2m.
Parameter MYRRHA EUROTRANS Beschleunigertyp 4-ROD-RFQ 4-VANE-RFQ
Uef f [kV] 44 65
∆Wproton [MeV] 1.47 3.45
I [mA] 5 5
f [MHz] 176.1 352
L [m] 4.2 4.3
Tabelle 3.3: Designparameter des 4-ROD (MAX-Referenzdesign C3 (2014))- sowie des 4-VANE-RFQ (EUROTRANS-Design) im Vergleich. [(8)]