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Vergleich mit der Simulation

Im Dokument Untersuchung der FRANZ CH-Struktur (Seite 57-66)

Bevor der CH-Rebuncher f¨ur die Konditionierung zusammengebaut wurde und der sta-tische Tuner mit der Einkoppelschleife getauscht wurde, wurde eine St¨ork¨orpermessung durchgef¨uhrt. Durch die St¨ork¨orpermessung konnte die elektrische Feldverteilung in der CH-Struktur bestimmt werden. Die gemessene Feldverteilung wurde dann mit der simu-lierten Feldverteilung[14] verglichen:

Abbildung 4.1.: Vergleich der Verteilung des elektrischen Feldes von einer St¨ork¨ orper-messung mit einer Simulation

Die gemessene Feldverteilung ist gleichm¨aßiger als die aus der Simulation. Bei einem gleich großen Feld in den ¨außeren Beschleunigungsspalten bildet sich in den mittleren Beschleunigungsspalten im Vergleich zur Simulation ein schw¨acheres Feld aus. Umge-kehrt bildet sich in der gebauten Struktur bei gleich großem Feld in den mittleren Be-schleunigungsspalten ein gr¨oßeren Feld in den ¨außeren Beschleunigungsspalten als in der Simulation. Des Weiteren wurden Simulationen durchgef¨uhrt, in denen der Tuner und

die Einkoppelschleife miteinander getauscht wurden. Ein Vergleich der elektrischen Feld-verteilung zwischen der Simulation mit der getauschten Anordnung und der Simulation mit der urspr¨unglich angedachten Anordnung ergab nur geringe Unterschiede.

Ebenso wurden thermische Simulationen durchgef¨uhrt. Diese sagen bei einer Verlustleis-tung von 12 kW eine Erw¨armung an der Position des Außenf¨uhlers von 10C voraus.

Bei einer Verlustleistung von 5 kW sollen es 4,5C Erw¨armung sein. Gemessen wurde bei 12 kW Verlustleistung eine Erw¨armung um 7C und bei einer Verlustleistung von 5 kW eine Erw¨armung um 3,5C. Die thermischen Simulationen sagen eine zu große Erw¨armung voraus, scheinen diese aber dennoch mit einem Fehler von weniger als 30 % vorhersagen zu k¨onnen.

5. Fazit

Nach der Konditionierung betr¨agt der Druck in dem CH-Rebuncher ohne eingekoppelte Leistung ca. 3·10−8mbar. Wird die f¨ur den sp¨ateren Betrieb von FRANZ angedachte Leistung von 5 kW eingekoppelt stellt sich ein Druck von 9·10−8mbar ein. Weiterhin k¨onnen die HF-Parameter von Seite 24 durch gemessene Werte aktualisiert werden. Die folgenden Werte sind dabei als maximal m¨ogliche Werte zu verstehen:

HF-Parameter Wert

ResonanzfrequenzfR 175 MHz Unbelastete G¨uteQ0 12600 Effektive SpannungUeff 480 kV

Verlustleistung Pc 12 kW SpannungsgradientUeff/leff 1,7 MV/m

Tabelle 5.1.: Gemessene HF-Parameter

In die CH-Struktur konnten erfolgreich 12 kW an Leistung eingekoppelt werden, oh-ne sich dabei zu stark zu erw¨armen. Dadurch konnte ein Beschleunigungsgradient von 1,7 MV/m erzielt werden, welcher f¨ur 120 Stunden konstant aufrecht gehalten wurde.

Die CH-Struktur dient ebenso als Prototyp f¨ur das MYHRRA-Projekt. Die dort geplan-ten CH-Resonatoren sind mit einem maximalen Spannungsgradiengeplan-ten von 1,29 MV/m geplant.[7] Der Betrieb der in dieser Arbeit untersuchten CH-Struktur bei einem merk-bar h¨oheren Spannungsgradienten zeigt, dass die Anforderung des MYHRRA-Projektes an die CH-Struktur eingehalten und sogar ¨ubertroffen werden.

Diese Arbeit zeigt weiterhin, dass getroffen Absch¨atzungen ¨uber den Effekt des ther-mischen Frequenztunings, errechnet ¨uber Formel 2.36, im Rahmen der Messgenauigkeit sehr gut mit den Messungen ¨ubereinstimmen. Zudem werden f¨ur zuk¨unftige Arbeiten das Thema der Konditionierung betreffend folgende Verbesserungsvorschl¨age unterbreitet:

• Es empfiehlt sich den Zirkulator, sollte dieser nicht die gew¨unschte D¨ampfung vorweisen, bei anliegender Leistung zu kalibrieren.

• Der Wasserfluss in der K¨uhlung des Resonators sollte nach M¨oglichkeit gestoppt werden, sobald die eingekoppelte Leistung nicht langsam heruntergefahren wird.

Dadurch reduziert sich der mechanische Stress auf die Struktur und die Schweiß-n¨ahte.

Des Weiteren muss beim zuk¨unftigen Betrieb von FRANZ darauf geachtet werden, dass die Tuner-Regelung einen stabilen Arbeitspunkt bei der vorgegebenen Leistung findet.

Insgesamt wurde ¨uber ca. 600 Stunden hinweg Leistung in den CH-Rebuncher eingekop-pelt und dabei die Messdaten protokolliert. Z¨ahlt man ebenso die Stunden mit, die der Verst¨arker in St¨orung ging, bel¨auft sich die Messdauer auf ¨uber 1180 Stunden. ¨Uber ein in Python geschriebenes Skript wurden die Ausf¨alle der Leistung weggeschnitten und die 462 Stunden an Messdaten in einer Datei zusammengef¨uhrt, wobei die Daten mit angeschlossenem Zirkulator nicht angeh¨angt wurden. Die graphische Darstellung dieser Datei und noch weitere erg¨anzende Abbildungen sind in Anhang B Erg¨anzende Abbil-dungenzu finden.

Der n¨achste Schritt f¨ur die CH-Struktur des FRANZ-Projektes sind Untersuchungen in der Strahldynamik. Diese k¨onnen vorgenommen werden, sobald die Kopplung des RFQ mit der IH-Struktur erfolgreich abgeschlossen und der Ionenstrahl nach der IH-Struktur vermessen wurde.

Literaturverzeichnis

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[14] Seibel, A.: Entwicklung und Test des 175 MHz CH-Rebunchers f¨ur das FRANZ-Projekt. Masterarbeit, 2013.

[15] Tiede, R.: Simulationswerkzeuge f¨ur die Berechnung hochintensiver Ionenbeschleu-niger. Dissertation, Goethe-Universit¨at Frankfurt am Main, 2009.

[16] Verschiedene: Elektrische Leitf¨ahigkeit von Edelstahl 1.4301, Zuletzt aufgerufen:

18.1.2017. https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Leitf¨ahigkeit.

[17] Verschiedene: Elektrische Leitf¨ahigkeit von Kupfer, Zuletzt aufgerufen: 18.1.2017.

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[18] Verschiedene:Magnetische Permeabilit¨at von Edelstahl 1.4301, Zuletzt aufgerufen:

18.1.2017. http://www.lucefin.com/wp-content/files_mf/1.430189.pdf.

[19] Verschiedene:Magnetische Permeabilit¨at von Kupfer, Zuletzt aufgerufen: 18.1.2017.

https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Permeabilit%C3%A4t.

[20] Wagner, C. et al.: FRANZ Control System - Conceptual Design and Status. In:

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[21] Wangler, T. P.: RF Linear Accelerators. Wiley-VCH, 1998.

[22] Wiedemann, H.:Particle Accelerator Physics. Springer, 2007.

[23] Wiesner, C.: Chopping and Transport of High-Intensity Ion Beams. Dissertation, Goethe-Universit¨at Frankfurt am Main, 2014.

[24] Wiesner, C. et al.:Chopping high-intensity ion beams at FRANZ. In: Proceedings of LINAC2014, Seiten 765 – 769. Ref.: WEIOB01.

Abbildungsverzeichnis

1.1. Schematischer ¨Uberblick ¨uber den Aufbau des FRANZ-Projektes . . . 3

1.2. Konzept des FRANZ Bunch Kompressors . . . 4

2.1. TM010-Mode des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes . . . 8

2.2. Skizze einer IH-Struktur . . . 9

2.3. Skizze einer CH-Struktur . . . 10

2.4. ¨Ubersicht von H-Moden-Strukturen . . . 11

2.5. 3dB-Methode . . . 14

2.6. Funktionsprinzip eines Zirkulators . . . 19

2.7. Phasenraumbeziehungen . . . 23

3.1. Versuchsaufbau des thermischen Frequenztunings . . . 26

3.2. 1. Messung; zeitlicher Temperaturverlauf des Abk¨uhlvorgangs . . . 27

3.3. 2. Messung; zeitlicher Temperaturverlauf des Abk¨uhlvorgangs . . . 27

3.4. 1. Messung; Resonanzfrequenz in Abh¨angigkeit der gemessenen Tempera-tur des TemperaTempera-turf¨uhlers . . . 29

3.5. 2. Messung; Resonanzfrequenz in Abh¨angigkeit der gemessenen Tempera-tur des Deckels . . . 29

3.6. Flussdiagramm des Messaufbau . . . 31

3.7. Konditionierung bis 10 W . . . 33

3.8. Konditionierung bis 60 W . . . 34

3.9. L¨angere Konditionierung mit 60 W . . . 35

3.10. Konditionierung bis 500 W . . . 36

3.11. Konditionierung bis 1300 W . . . 37

3.12. Konditionierung bis 2000 W . . . 38

3.13. L¨angere Konditionierung mit 2000 W . . . 39

3.14. Konditionierung bis 3000 W . . . 40

3.15. Konditionierung bis 4000 W . . . 41

3.16. Konditionierung bis 5400 W . . . 42

3.17. Konditionierung bis 6000 W . . . 43

3.18. L¨angere Konditionierung mit 5000 W . . . 44

3.19. Konditionierung bis 7000 W . . . 45

3.20. Konditionierung bis 9000 W . . . 46

3.21. L¨angere Konditionierung mit 8000 W . . . 47

3.22. Konditionierung bis 11000 W . . . 48

3.23. L¨angere Konditionierung mit 9000 W . . . 49

3.24. L¨angere Konditionierung mit 11000 W . . . 50

3.25. H¨ohere Moden in der Vorw¨artsleistung . . . 51

3.26. H¨ohere Moden in der Reflexion . . . 52

3.27. Power sweep des Zirkulators . . . 53

3.28. Unterdr¨uckte h¨ohere Moden in der Vorw¨artsleistung nach Einbau des Zir-kulators . . . 54

3.29. Unterdr¨uckte h¨ohere Moden in der Reflexion nach Einbau des Zirkulators 55 3.30. 120-Stunden Test . . . 56

4.1. Vergleich der Verteilung des elektrischen Feldes von einer St¨ork¨ orpermes-sung mit einer Simulation . . . 57

B.1. Amplitudenbegrenzer und dessen einzelne Bauteile . . . 66

B.2. Tuner-Regel-System . . . 66

B.3. Messaufbau der elektronischen Regelung . . . 67

B.4. Aufbau des CH-Rebunchers . . . 68

B.5. 462 Stunden an eingekoppelter Leistung - Teil 1 . . . 69

B.6. 462 Stunden an eingekoppelter Leistung - Teil 2 . . . 70

B.7. 462 Stunden an eingekoppelter Leistung - Teil 3 . . . 71

B.8. 462 Stunden an eingekoppelter Leistung - Teil 4 . . . 72

A. Danksagung

Zun¨achst danke ich besonders Prof. Dr. Holger Podlech f¨ur das Erm¨oglichen der Mas-terarbeit, die Betreuung und die gegebenen Ratschl¨age.

Weiterhin m¨ochte ich mich bei den zahlreichen Freunden und Kollegen der Arbeits-gruppe LINAC-AG bedanken, welche viele Fragen und so manch eine Diskussion ¨uber sich ergehen lassen mussten.

Ein weiterer Dank gilt den Technischen Mitarbeitern des IAP, insbesondere Christopher Wagner. Beim Zusammenbau der CH-Struktur und Aufbau des Messequipments wart ihr eine große Hilfe und man konnte sich auch bei noch so kleinen Problemen auf eure Hilfestellung verlassen.

Schließlich m¨ochte ich meiner Familie, Janine und allen nicht genannten Freunden f¨ur ihre Unterst¨utzung und Hilfe auch außerhalb der Universit¨at danken.

Im Dokument Untersuchung der FRANZ CH-Struktur (Seite 57-66)