Statische Tuner

Im Falle supraleitender Resonatoren gestaltet sich eine Geometrieänderung nach der Pro-duktion hinsichtlich des Tunings statischer Frequenzabweichungen deutlich schwieriger als bei normalleitenden Kavitäten. Statische Änderungen der Resonanzfrequenz werden durch

• Fertigungsungenauigkeiten und -toleranzen,

• den thermischen Schrumpf der Kavität beim Abkühlen auf kryogene Temperaturen

• sowie durch Verformungen der Resonatorgeometrie während des Abpumpvorgangs hervorgerufen. Um diese Frequenzverstimmungen bereits während des Herstellungspro-zesses auszugleichen und die Zielfrequenz zu erreichen, werden bei supraleitenden CH-Strukturen Tunerkörper durch die Rippen in das Resonatorvolumen eingebracht (s. Abb.

3.4). Mit zunehmender Tunerhöhe wirken diese kapazitiv und sorgen für einen Frequenz-abfall. Daher sollte die Frequenz der Kavität von vornherein höher ausgelegt werden.

Dieses Tuningkonzept wurde bereits an zwei supraleitenden CH-Prototypen erfolgreich demonstriert [Busch 2015, Podlech 2008]. Nach Anpassung der Frequenz und Festlegung der Tunerhöhe mittels geeigneter Probekörper werden die eigentlichen Niobtuner aus Vollmaterial in die Rippen eingeschweißt. Je nach geometrischer Beschaffenheit dieser Verdrängungskörper – dazu zählen Form, Höhe und Durchmesser – und ihrem Wirkungs-ort besitzen die Tuner einen unterschiedlich starken Einfluss auf die Frequenz. Um auf eine ausreichende Frequenzreserve zurückgreifen zu können, sollten die statischen Tuner bei maximaler Einschubhöhe∆heinen Frequenzhub∆f von mindestens 2 %, bezogen auf die Grundmode, bereitstellen. Für die 217 MHz CH-Kavität entspricht dies einem Hub von etwa −4MHz. Im einfachsten Fall ist eine schlichte Zylindergeometrie ausreichend, um effektiv an das elektrische Feld auf der Strahlachse anzukoppeln. Hinsichtlich der 217 MHz CH-Kavität gestaltete sich das Tuning jedoch als Herausforderung, da aufgrund der kurzen Zellenlänge (l =40,8 mm,β =0,059) der zur Verfügung stehende Raum zwi-schen den Stützen zum Einbringen von Tunern adäquater Größe extrem begrenzt ist.

Aus Abbildung 3.5 geht hervor, dass das maximale transversale Einbaumaß eines Tuners unter Berücksichtigung notwendiger Schweißnähte deutlich geringer als 41,6 mm ausfal-len muss. In diesem Zusammenhang wurden eingehende HF-Simulationen durchgeführt und dabei verschiedene Tunertypen untersucht. Ziel dieser Analyse war es, die optimale Tunergeometrie zu bestimmen, welche den maximalen Frequenzhub bei möglichst

gerin-3 Auslegung der Resonatorgeometrie

41,6 67,6 116,7

40,8

Abbildung 3.5: Dimensionen einer Zelle der Kavität zur Veranschaulichung des effektiv zur Verfügung stehenden Raumes bzgl. der Integration statischer Tuner (Einheiten in mm).

gen Einschubhöhen und elektrischen Spitzenfeldern liefert sowie gleichzeitig technisch umsetzbar ist. Folgend sollen die erwähnten Anforderungen bei der Wahl einer geeigne-ten Geometrie exemplarisch an zwei der untersuchgeeigne-ten Tunertypen beschrieben werden.

Tunertyp 1 besteht aus einem einfachen Zylinder, während Typ 2 darüber hinaus über einen verbreiterten Kolbenaufsatz verfügt. Abbildung 3.6 zeigt den simulierten Tuning-bereich in Abhängigkeit der Tunerhöhe für neun parallel eingeführte Tuner vom Typ 1 mit jeweils drei unterschiedlichen Durchmessern d. Ferner sind in derselben Abbildung explizit die elektrischen Spitzenfelder innerhalb der Kavität für d = 30mm dargestellt.

Aus den Simulationen geht hervor, dass mit zunehmendem Zylinderdurchmesser mehr Volumen am Ort des elektrischen Feldes verdrängt und infolgedessen ein insgesamt hö-herer Frequenzhub erzielt wird. Zudem beginnen die Tuner erst ab einer Höhe von etwa 40 mm die Frequenz wirkungsvoll zu beeinflussen. Ab einer Höhe ∆h >70mm nehmen die elektrischen Spitzenfelder jedoch sprunghaft sehr große Werte an, sodass die theore-tisch, maximal nutzbare Tunerhöhe durch die auftretenden Spitzenfelder nach oben hin auf 70 mm beschränkt ist. Bei gleicher Einschubhöhe wird selbst für einen Zylinderdurch-messer von 30 mm der minimal benötigte Frequenzhub mittels neun parallel eingeführter Tuner vom Typ 1 nur knapp erreicht. Zudem bildet d= 30mm die Grenze hinsichtlich des möglichen Einbaumaßes. Aus diesem Grund wurde im Falle von Tunertyp 2 die zy-lindrische Grundform auf ein transversales Maß von 24 mm verkleinert und der obere Bereich mit einem 44 mm breiten Aufsatz ergänzt (s. Abb. 3.7 links), um die Frequenz bereits bei geringer Einschubhöhe stärker beeinflussen zu können. Unter Verwendung dieser Geometrie kann durch neun parallel gefahrene Tuner ein angemessener Frequenz-hub von ungefähr−6MHz bei einer Tunerhöhe von 70 mm erreicht werden (s. Abb. 3.7).

Hierbei befinden sich die elektrischen Spitzenfelder in einem ungefährlichen Bereich

hin-3.2 Frequenztuning Tunertyp 1

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

- 1 6 - 1 2 - 8 - 4

04 048

1 2 1 6 2 0

f f ü r d = 1 0  m m

f f ü r d =  2 0  m m

f f ü r d = 3 0 m m E _p / E a f ü r d  = 3 0 m m

f / MHz

h / m m

Ep / Ea

Abbildung 3.6: 3D-Modell des untersuchten Tuners vom Typ 1 (links). Simulierter Tuning-bereich in Abhängigkeit der Tunerhöhe ∆hfür neun parallel eingeführte Tuner vom Typ 1 für verschiedene Durchmesser d(rechts). Die zugehörigen elektrischen Spitzenfelder innerhalb der Kavität sind für d= 30mm dargestellt.

Tunertyp 2

24,0 44,0

15,0

Abbildung 3.7: Optimierte Geometrie des Tunertyps 2 (links, Einheiten in mm). Tuningbe-reich neun parallel betriebener Tuner vom Typ 2 und jeweils auftretende elektrische Spitzen-felder innerhalb der Kavität (rechts).

sichtlich einer möglichen Feldemission. Demnach gewährleistet Tunertyp 2 einen effi-zienten, verhältnismäßig großen Tuningbereich während des Herstellungsprozesses, ohne die Leistungsfähigkeit der Kavität negativ zu beeinflussen. Darüber hinaus ermöglicht die gewählte Anzahl von insgesamt neun Tunern einen gleichmäßig verteilten Frequenz-hub innerhalb der Kavität. Aus fertigungstechnischen Gründen wurde beschlossen, die Kavität mit insgesamt sieben statischen Tunern vom Typ 2 und mit zwei Tunern vom

3 Auslegung der Resonatorgeometrie

Tunerkonfiguration Anzahl ∆f / MHz ∆f / %

Typ 1 (d= 30mm) 9 −4,1 −1,9

Typ 2 9 −5,9 −2,7

Typ 1 (d= 24mm) & Typ 2 2 / 7 −5,4 −2,5

Tabelle 3.2: Totaler Frequenzhub der verschiedenen Tunertypen bzw. -konfigurationen bei einer gemeinsamen maximalen Einschubhöhe von 70 mm, bezogen auf die Resonanzfrequenz der 217 MHz CH-Kavität.

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0

1 , 2 _{h = 2 0 m m}

Ez / willk. Einh. z / m m

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0

1 , 2 _{h = 4 0 m m}

Ez / willk. Einh. z / m m

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0

1 , 2 _{h = 6 0 m m}

Ez / willk. Einh. z / m m

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0

1 , 2 _{h = 8 0 m m}

Ez / willk. Einh. z / m m

Abbildung 3.8: Simulierte Feldverteilung für 20 mm, 40 mm, 60 mm und 80 mm identischer Einschubhöhe der finalen statischen Tunerkonfiguration.

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.