supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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Zusammenfassung
Das Synchrotron COSY am Forschungszentrum Jülich zeichnet sich durch eine exzellente
Strahlqualität aus und bietet neben unpolarisierten Protonen- und Deuteronenstrahlen auch
polarisierte Protonen- und Deuteronenstrahlen in einem Impulsbereich von 300 MeV/c bis 3.7
GeV/c zu Forschungszwecken im Bereich der Hadronenphysik an. Dabei können nicht nur
interne Targetplätze benutzt werden, sondern auch über eine ultralangsame Extraktion externe
Experimente über Minuten mit konstantem Strahlstrom durchgeführt bzw. mittels der
Kickerextraktion kurze Strahlpulse mit hoher Teilchenzahl genutzt werden.
Die zur Verfügung stehende polarisierte Atomstrahlquelle zusammen mit dem über 35 Jahre
alten Zyklotron Julic als Vorbeschleuniger begrenzen allerdings die Teilchenzahl polarisierter
Protonen und Deuteronen in COSY. Ein neuer Vorbeschleuniger, angepasst an eine leistungsfähigere
Quelle für polarisierte Teilchen, würde eine optimale Füllung von COSY bis zum
Raumladungslimit ermöglichen. Favorisiert wurde hierbei das Konzept mit supraleitenden
Halbwellenresonatoren, da durch den Einsatz der zweizelligen Resonatoren Protonen und
Deuteronen mit einer ähnlichen Übergangsenergie für COSY zur Verfügung gestellt werden
können.
In dieser Arbeit wurde insbesondere die Verwendung von supraleitenden Viertelwellen bzw.
Halbwellenresonatoren im gepulsten Betrieb zur Beschleunigung von leichten Ionen
(Protonen und Deuteronen) untersucht. Im Vordergrund stand dabei eine für COSY optimierte
Auslegung eines Linacs mit genügend hoher Teilchenzahl und Wiederholrate. Die Auslegungsdaten
ermöglichen zudem die Nutzung des Linacs für zusätzliche Strahlungsexperimente,
während COSY als Speicherring betrieben wird.
Diese erstmalige Auslegung von Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung von polarisierten
Protonen und Deuteronen im gepulsten Betrieb erforderte eine ausführliche Analyse der Beschleunigungsstruktur
sowie eine angepasste Auslegung des Kryostaten und ein
zugeschnittenes Konzept zur Regelung der Hochfrequenz. Das Design der Halbwellenresonatoren
wurde maßgeblich durch die hohen Anforderungen bezüglich Beschleunigungsfeld
und Strahlqualität bestimmt und auf hohe Verfügbarkeit ausgelegt.
Die Fertigung der Resonatoren basiert auf Standard-Verfahren, wobei zwei Prototypen von
verschiedenen Herstellern mit leicht geänderter Geometrie untersucht wurden. Der Prototyp
Typ I - mit runden Endkappen - weist bei den Betrachtungen bzgl. der erreichbaren Feldstärke,
ohne Optimierung der Präparation, keine Vorteile gegenüber Typ II auf. Allerdings ist
das mechanische Verhalten des Typ II-Prototypen in Hinsicht auf einen gepulsten Einsatz
deutlich besser. Sowohl die Lorentzkraft-Verstimmung als auch die mechanischen
Eigenresonanzen favorisieren die Fertigungsmethoden des Typ II-Resonators, obwohl dieser