supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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2-7 2.3 Neuer Injektor für COSY: Motivation Gerade im von COSY abgedeckten Energiebereich hat in den vergangenen Jahren das Interesse an polarisierten Teilchenstrahlen zugenommen [PAC]. Um diesem Interesse und den damit verbundenen Wunsch nach hohen Teilchenzahlen gerecht zu werden, musste über eine Modifikation der bestehenden Anlage nachgedacht werden. Der Grund hierfür liegt im bisher verwendeten Injektor, dem Zyklotron [Bräutigam88], dessen geringe Transmission verbunden mit der verwendeten Teilchenquelle für polarisierte Strahlen die Anzahl der zur Verfügung stehenden polarisierten Protonen und Deuteronen auf etwa 1*10 10 limitiert. Das Raumladungslimit von COSY liegt dabei etwa einen Faktor 20 höher. Ein neuer Vorbeschleuniger inklusive angepasster Polarisationsquelle könnte die Luminosität sowohl der internen als auch der externen Experimente deutlich verbessern. Der neue Vorbeschleuniger soll COSY bis zum Raumladungslimit füllen und dabei sowohl für Protonen als auch für Deuteronen eine möglichst hohe Endenergie besitzen. Bereits 1998 wurden verschiedene Möglichkeiten eines neuen Injektors für COSY untersucht. Neben einem LINAC standen dabei verschiedene Synchrotronkonzepte zur Auswahl [Bäutigam97]. Ein für COSY optimiertes Synchrotron erlaubt zwar eine Einschussenergie von 200 MeV und damit ein höheres Raumladungslimit in COSY, allerdings sind dabei mindestens 10 Einschusszyklen erforderlich, wobei der Vorteil einer hohen Einschussenergie aufgrund der langen Verweilzeit bei Einschuss und des geringeren Tastverhältnisses für COSY verloren geht. In diesem Zusammenhang wurde untersucht, ob sich MIMAS [Chamouard88], damals ein kurzfristig verfügbares Synchrotron als Vorbeschleuniger eignen könnte. Als optimale Lösung erwies sich hingegen ein LINAC, der mit einem Puls COSY bis zum Raumladungslimit füllen kann. Mit Strahlströmen von bis zu 2mA ergeben sich deutlich verkürzte Injektionszeiten im Vergleich zum gegenwärtigen Zyklotron (JULIC). Dies reduziert die Anzahl der Durchgänge des Strahls durch die Umladungsfolie und führt so zu einer besseren Strahlqualität des gebunchten Strahls. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Parameter der bestehenden und vorgeschlagenen Anlage gegenübergestellt: Tabelle 1: Eigenschaften der vorhandenen und geplanten Vorbeschleunigeranlage: Vorhandene Anlage Geplante Anlage Pol. Ionenquelle 10 µA, 20 ms 2 mA, 500 µs Injektor-Typ (Strahlstrom) Zyklotron (500 nA) Linac (2 mA) COSY Injektion Umladung multiturn, ~10000 Umladung multiturn, ~100 COSY, flat top 5*10 9 Teilchen 2*10 11 Teilchen (Raumladungslimit) Luminosität (polarisiertes Gas-Target, p*D=10 13 cm -2 ) 5*10 28 cm -2 s -1 2*10 30 cm -2 s -1
2-8 2.3.1 Auswahl möglicher Linac-Konzepte Neben der schließlich gewählten supraleitenden Lösung wurden auch normal leitende DTLs (Drift Tube Linac) vom Typ Alvarez und IH/CH Strukturen [Ratzinger98] untersucht. Eine für Protonen ausgelegte Alvarez-Struktur kann Deuteronen im 2βλ-Mode nur auf halbe Endgeschwindigkeit bringen, also weniger als die halbe Endenergie. Andererseits kann eine für Deuteronen ausgelegte CH-Struktur Protonen nur auf gleiche Endgeschwindigkeit bringen, damit wird nur die halbe HF-Spannung des CH-Beschleunigers bei Protonenbetrieb ausgeschöpft. Dieses Konzept kommt zwar dem zur Zeit eingesetzten isochronen Zyklotron am nächsten, kann aber als normalleitende Ausführung aufgrund der eingeschränkten Platzverhältnisse die Anforderungen für Protonen nicht erfüllen. Allgemein ist allen vielspaltigen Beschleunigungsstrukturen gemeinsam, dass die auf eine Teilchensorte optimierte Auslegung die jeweils andere im Vergleich zum Zyklotron unzureichend beschleunigt. Umgekehrt sind optimal einstellbare normalleitende ein- oder zweizellige Strukturen wegen der effektiven Beschleunigungsspannung im Vergleich zur Länge des LINACs und der erforderlichen hohen Anzahl leistungsfähiger HF-Verstärker nicht praktikabel. Als optimal erwies sich eine zweispaltige, supraleitende Struktur mit individuell einstellbaren HF-Verstärkern, da sich hierdurch die Phasenlage jeder einzelnen Struktur gemäß dem Geschwindigkeitsprofil der Teilchen einstellen lässt und eine maximale Beschleunigung sowohl für Protonen als auch für Deuteronen möglich ist. Durch den Einsatz supraleitender Beschleunigungsstrukturen wird die erforderliche HF-Pulsleistung durch die vom Strahl aufgenommene Leistung dominiert und pro Kavität auf einige kW begrenzt. Dadurch lassen sich die HF-Endstufen mit preisgünstigen Transistorverstärkern realisieren. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Parameter für den geplanten COSY LINAC zusammen. Tabelle 2: Parameter des supraleitenden Linacs: Wiederholrate 2 Hz Strahlpulsdauer 500 µs Strahlstrom 2 mA E acc (Beschleunigungslänge l=ßλ) 8 MV/m HF-Leistung (gepulste Transistor Verstärker) 4 kW HF Pulslänge 10 ms Energie nach RFQ H - /D - 2,5/5 MeV Endenergie H - /D - 52/56 MeV Ein möglicher Aufbau des Linacs mit allen Komponenten inklusive der polarisierten Protonen- und Deuteronen Quelle (CIPIOS) ist in Abb. 2.3 dargestellt. Für die Erzeugung unpolarisierter Ionen steht eine Quelle vom Typ IBA [IBA] zur Verfügung. An die Niederenergiestrahlführung schließt eine RFQ-Sektion an [Schempp00]. Da die Polarisationsquelle für beide Teilchensorten mit der gleichen Ausgangenergie betrieben wird (E quelle = 25
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