supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

3-19
Oberflächenwiderstand wird hierbei durch die Eindringtiefe und Leitfähigkeit σ bestimmt und
1
berechnet sich unter Berücksichtigung der Eindringtiefe δ = zu:
πfµ
σ
1 ωµ
0
R
S
= = . (3.4)
σδ 2σ
Hieraus ergeben sich die in Tabelle 5 zusammengefassten Oberflächenwiderstände und
Eindringtiefen:
Tabelle 5: Oberflächenwiderstände und Eindringtiefen von Kupfer bei
Raumtemperatur.
100 MHz 500 MHz 1 GHz 3 GHz
5,3 mΩ 11,9 mΩ 16,8 mΩ 29,1 mΩ
6,5 µm 3 µm 2 µm 1,2 µm
Je nach Anwendungsgebiet unterscheidet sich die Geometrie von supraleitenden Kavitäten
erheblich. Im Bereich von Elektronenbeschleunigern [Jlab] oder Protonen nahe der
Lichtgeschwindigkeit werden mehrzellige elliptische Strukturen eingesetzt, die inzwischen in
Design und Fertigung ein sehr hohes Niveau erreicht haben und sich durch geringes
Multipacting [Hatch66] auszeichnen.
Protonen-Hochstromanlagen wie die im Bau befindliche Spallationsneutronenquelle SNS
[SNS] oder die vorgeschlagene europäische Spallation Source ESS [ESS] setzen auf
elliptische Kavitäten ab etwa 60% der Lichtgeschwindigkeit. Dabei treten verstärkt
mechanische Eigenschaften auf, die auch maßgeblich zur Auslegung eines Linacs für geringe
Geschwindigkeiten zur Beschleunigung von leichten Ionen berücksichtigt werden müssen
(siehe Kapitel 4.4.3-4.4.5).
Zur Beschleunigung schwerer Ionen mit niedrigen Geschwindigkeiten sind eine Vielzahl
supraleitender HF-Strukturen seit mehr als 30 Jahren im Einsatz, wie beispielsweise die Split-
Ring-Resonatoren bei ATLAS [ANL] oder die QWR (QuarterWaveResonatoren) des ALPI
Beschleunigers in Legnaro [Porcellato99]. Diese Strukturen haben 2 bis 3
Beschleunigungsspalte pro Resonator. Als besonders vorteilhaft erwiesen sich im
vorliegenden Fall koaxiale Resonatoren, die eine leichtere Trennung zwischen
Resonanzfrequenz und Optimierung der Beschleunigung bei einer bestimmten
Teilchengeschwindigkeit erlauben. Hinzu kommt, dass diese Strukturen bei relativ niedrigen
Frequenzen hohe Beschleunigungsfelder ermöglichen und dadurch bereits bei T = 4 K
(flüssigem Helium) betrieben werden können. Da der neue Injektor für COSY gepulst
betrieben werden soll, wurde auf eine Struktur mit Frequenzen unterhalb 100 MHz gänzlich
verzichtet und somit das Risiko niedriger mechanischer Eigenresonanzen und die Anfälligkeit
gegenüber Mikrophonie verringert. Bei einer gewünschten Endenergie von etwa 50 MeV
sollte auf jeden Fall auf eine Struktur mit doppelter Frequenz zur effizienten Beschleunigung
0