Entwicklung, Aufbau und Test eines neuen Kryostatmoduls für den S-DALINAC

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl ein neues Beschleuniger-Kryostatmodul für den supraleitenden Injektor des S-DALINAC als auch drei supraleitende Kavitäten entworfen und hergestellt. Diese Maßnahmen hatten die Erhöhung der maximalen Strahlenergie hinter dem Injektorbeschleuniger von 10 MeV auf 14 MeV bei Strahlströmen von bis zu 250 µA statt bisher 60 µA zum Ziel. Diese Intensitätserhöhung machte dabei auch eine Erhöhung der eingekoppelten Hochfrequenzleistung von 500 W auf 2 kW erforderlich. Dafür wurden neue Hochfrequenzeinkoppler am Institut für Theorie elektromagnetischer Felder an der Technischen Universität Darmstadt entworfen. Um diese verwenden zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Kryostatmodul entwickelt, bei dem eine WR-284 Rechteckhohlleiterverbindung durch alle Druck- und Temperaturstufen verläuft. Die neue Konstruktion ist an die der Standardkryostate des S-DALINAC angelehnt, um bei gleichen Dimensionen und Anschlüssen für Strahl- und Isoliervakuum, sowie den notwendigen Verbindungen für Helium und Stickstoff, das bisherige Injektormodul ersetzen zu können. Für die WR-284 Hohlleiterdurchführung wurde der Turmbereich völlig neu gestaltet, so dass ausreichend Platz für eine saubere Montage unter Reinraumbedingungen zur Verfügung steht. Die eigens für dieses Projekt angefertigten Hohlleiterbälge zeigen hierbei hervorragende HF-Eigenschaften und stellen die notwendige Flexibilität der Transferleitung sicher. Ebenso wurde ein Blendenelement entwickelt, um als Alternative zu einem kalten Fenster bei einer Zwischentemperatur die Verluste durch Wärmestrahlung innerhalb der Hohlleiter zu minimieren. Alle Hohlleiterelemente wurden im Rahmen dieser Arbeit auf Ultrahochvakuumtauglichkeit getestet und hochfrequenztechnisch vermessen. Im Zuge der Herstellung des Kryostatmoduls wurde der Heliumtank mit einer neuen, signifikant verbesserten, magnetischen Abschirmung ausgestattet. Abschließende Messungen ergaben für das äußere Magnetfeld im Bereich der supraleitenden Kavitäten im Heliumtank einen Durchschnittswert von 4 µT. Hiermit ist es am S-DALINAC erstmals möglich, bei Präparation der Beschleunigungsstrukturen unter saubersten Bedingungen, eine unbelastete Güte von 3E9 zu erreichen. Um den gesteigerten Anforderungen an das neue Beschleunigermodul gerecht zu werden, wurden ebenfalls drei neue 20-zellige Beschleunigungsstrukturen (Kavitäten) hergestellt. Ihre Fertigung erfolgte nicht mehr aus Einzelzellen, sondern dem neuesten Stand der Technik entsprechend aus Hanteln, was eine optimale Präparation der 20-zelligen Kavitäten ermöglichte. Die zur Produktion erforderlichen Simulationen und Messungen wurden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, so dass am Ende der Fertigung alle drei Beschleunigungsstrukturen erfolgreich bei der korrekten Länge auf der richtigen Frequenz feldglatt eingestellt waren. Für die vorliegende Arbeit wurde das Kryostatmodul mit einer Kavität bestückt und testweise außerhalb des Beschleunigers abgekühlt. Die Tests bei 2 K und 4 K ergaben eine gute Funktionalität in Hinblick auf die Dichtigkeit der verschiedenen Druckbereiche und auch die thermischen Verluste in den Heliumtank lagen mit 5-6 W im Rahmen der Anforderugen. Zuletzt konnte die externe Güte der neuen Hochfrequenzeinkoppler zu 6.25E6 bestimmt und damit der im Entwurf angestrebte Wert von 5E6 nahezu exakt bestätigt werden. Nach den erfolgreich durchgeführten Tests steht das neue Modul nunmehr zum Einsatz am Injektor des S-DALINAC bereit. Mit zwei der drei neuen Beschleunigungsstrukturen kann es vollständig bestückt das bisherige Modul ersetzen, so dass dieses dann als Ersatzmodul für den Hauptbeschleuniger bereit gehalten werden kann. Hierdurch wird es in Zukunft möglich sein, Wartungsarbeiten erheblich zu verkürzen