4. Der Injektor für MYRRHA 43
4.8. Zwischentankdesign
Parameter CH8 CH9 CH10 CH11 CH12
βeing. 0,1113 0,1190 0,1342 0,1542 0,1734
βausg. 0,1190 0,1342 0,1542 0,1734 0,1893
φs,mittel [°] -29,5 -20,4 -19,7 -19,0 -29,4
f [MHz] 176,1 176,1 176,1 176,1 176,1
Ua [MV] 0,97 2,0 3,0 3,3 3,3
Tabelle 4.22.: HF-Parameter der supraleitenden Kavitäten (Design C3). Da sich für Kavitäten mit konstantem Spaltabstand die Synchronphaseφsmit jedem Spalt ändert (siehe Abbildung B.4), ist in der Tabelle die gemittelte Synchronphase φs,mittel angegeben. Dabei wurden die Synchronphasen mit den jeweiligen Spalt-spannung gewichtet. Die berechnete Kühlleistung PKryo∗ bezieht sich auf die HF-Verluste bei einer angenommenen intrinische Güte von Q0 = 5·108.
CH-Struktur Dmax[mm] ∆fp [kHz]
Tabelle 4.23.: Mechanische Eigenschaften der supraleitenden CH-Strukturen für Design C. Aus der vakuumbedingten Deformation D des Tanks ergibt sich der Frequenzhub ∆fp. Die maximale DeformationDmax tritt an den Tankdeckeln auf (siehe auch Abbildung 4.43).
4.8. Zwischentankdesign
Zwischen den Beschleunigerkavitäten und den Fokussierelementen befinden sich Dia-gnoseelemente, Bälge, Flansche, Vakuumschieber und -pumpen, Kollimatoren und Korrekturdipolmagnete. Für die Berechnung der Teilchenstrahldynamik müssen die benötigten Längen der Bauteile abgeschätzt und als Driftstrecke im Beschleuniger-design berücksichtigt werden. Die vielzähligen vorgesehenen Diagnoseelemente für
(a) (b)
Abbildung 4.43.: Die druckbedingte absolute Deformation der Tankflächen von CH8 (a) und CH12 (b) ist farblich logarithmisch dargestellt.
Abbildung 4.44.: Deformation des tetraedrischen Simulationsgitters von CH10 aufgrund des Atmosphärendrucks. Das Ausmaß der Deformation ist in dieser Dar-stellung zur Veranschaulichung hundertfach verstärkt. An den Versteifungsklam-mern ist der Unterschied zur nicht verformten Struktur in grün dargestellt und gut sichtbar.
die Injektoren ab Version C werden in Unterabschnitt 4.8.1 vorgestellt.
4.8 Zwischentankdesign
Im Hinblick auf die Reperatur- und Wartungszeit müssen die Komponenten des MYRRHA Injektors leicht zugänglich und montierbar sein. Im Strahldynamikdesign B sind hierfür die Abstände zwischen den Beschleunigerkavitäten zu klein gewählt, was in den nachfolgenden Injektordesigns C1 bis C3 entsprechend angepasst wurde.
Auf die Zugänglichkeit des Injektors wird in Unterabschnitt 4.8.2 näher eingegangen.
4.8.1. Strahldiagnose
Die für den Injektor vorgesehenen nicht-destruktiven Strahldiagnoseelemente erlau-ben eine präzise Vermessung und Verfolgung für den Protonenstrahl während des Betriebs. Phasensonden nach jeder Kavität ermöglichen Flugzeitmessungen und die Lokalisierung von eingetretenen Fehlern, die den Strahl beeinflussen. Für jeden Ab-schnitt zwischen zwei Phasensonden werden die DurchAb-schnittswerte für Energie, Impuls und Geschwindigkeit bestimmt. Die Vielzahl der Diagnoseelemente ist nötig, um eine unerwünschte Veränderung des Teilchenstrahldynamik im Beschleuniger frühzeitig zu erkennen und Probleme zu antizipieren.
Ein Strahltransformator und ein Strahllagemonitor messen vor dem Eintritt der Protonenpakete in die erste CH-Struktur den Strahlstrom sowie deren longitudinale und transversale Position. Der Strahltransformator ist induktiv an den Protonen-strahl gekoppelt und liefert als Messsignal die Strahlstromdichte über die Zeit. So lässt sich neben dem Strahlstrom auch das longitudinale Strahlprofil bestimmen.
Ein Strahllagemonitor misst die Ströme von vier symmetrisch um die Strahlachse angeordneten Kondensatorplatten. Aus den gemessenen Strömen lässt sich auf die transversale Lage des Strahls zurückschließen.
Bei einer nicht optimalen Strahlanpassung kann mit Korrekturdipolmagneten vor und hinter dem Viertelwellenresonator die Strahlposition korrigiert werden. Wtere zwei Dipolmagnete sind vor der supraleitenden Sektion vorgesehen, wo ei-ne 0,5 m lange Driftstrecke für diverse Diagnoseelemente reserviert ist (Faraday-Tasse, Schlitz-Gitter-System, Halo-Monitor, Strahllagemonitor, Strahltransforma-tor). Beim sukzessiven Aufbau der Beschleunigeranlage kann diese Diagnosesektion hinter die jeweils zuletzt montierte normalleitende Struktur zur präzisen Vermessung des Strahlstroms und der Emittanz positioniert werden.
4.8.2. Zugänglichkeit
Damit die Wahrscheinlichkeit eines zeitgleichen Ausfalls beider redundanten Injek-toren gering bleibt, muss die benötigte mittlere Zeit für die Dauer einer Reparatur (MTTR) viel kleiner als die mittlere Zeit zwischen zwei Fehlerereignissen (MTBF)
sein. Eine kurze Reparaturzeit wird maßgeblich durch einen modularen Aufbau des Injektors mit einfacher Montage und einer hohen Zugänglichkeit zu den Kompo-nenten begünstigt.
Die Montage der Beschleunigerkomponenten in Injektordesign B ist aufgrund einer schlechten Zugänglichkeit nicht möglich. Die Abstände zwischen den Kavitäten sind für die Unterbringung der Quadrupolmagnete im Zwischentankbereich zu kurz. Bei-spielsweise beträgt in Design B der Spaltmittenabstand zwischen dem letzten Spalt von CH1 und dem ersten Spalt von CH2 267 mm. Die vorgesehene Triplettlinse hat eine Länge von etwa 250 mm, so dass ohne Balg und Diagnoseelement 17 mm für die Strecken von den beiden Spaltmitten zu den Tankaußenwänden übrig bleiben. Die Mindestlänge von einer äußeren Spaltmitte bis zur Außentankwand einer Kavität in Design C beträgt 58 mm (β1,5 MeV = 0,57), davon sind 30 mm Wanddicke (siehe exemplarisch Maße von CH5 aus Design C in Abbildung 4.32).
Die Problematik der zu kurzen Abstände zwischen den Beschleunigerkavitäten wur-de in Injektorwur-design C behoben. Die wur-deutlich längeren Spaltmittenabstänwur-de zwi-schen Kavitäten für verschiedene Bereiche des Linacs sind in Tabelle 4.24 aufge-führt. Durch die Verwendung von Dublettlinsen anstelle von Triplettlinsen werden in Design C3 etwa 50 mm Zwischentankabstand eingespart. Andererseits sind in den neuen Injektorversionen zahlreiche Diagnoseelemente und Bälge vorgesehen, die die Driftstrecke zwischen zwei Beschleunigern deutlich vergrößern. Die genauen Positio-nen der KompoPositio-nenten für den Injektor in Version C3 sind in Anhang D aufgeführt.
Spaltmittenabstände Design B [mm] Design C [mm]
RB zu NL-CH 341 483
NL-CH zu NL-CH 267 ≥ 466
RB(B) / NL-CH(C) zu SL-CH 605 1322
SL-CH zu SL-CH ≥ 558 ≥ 912
Tabelle 4.24.: Aufgeführt sind die Spaltmittenabstände zwischen dem letzten Spalt einer Kavität zum ersten Spalt der nachfolgenden Kavität in verschiedenen Bereichen des Linacs. Beispielsweise beziehen sich die angegebenen Spaltmitten-abstände in der ersten Zeile auf den Spaltmittenabstand zwischen der Rebuncher-Kavität und einer anschließenden normalleitenden CH-Struktur. Da in Design C3 sieben verschiedene normalleitende CH-Strukturen verwendet werden, ist der kleinste Zwischentankabstand angegeben und mit einem „≥“ gekennzeichnet. In der Gegenüberstellung der Injektorversionen B und C (C1 bis C3) fällt auf, dass die Spaltmittenabstände deutlich vergrößert wurden, was die Zugänglichkeit ge-währleistet bzw. deutlich verbessert.
Die Injektordesigns der Versionen C1 bis C3 beinhalten ein Montagekonzept mit