supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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Kapitel 4
Entwurf des Halbwellen-Resonators
4.1 Prinzipielle Überlegungen
Die transversalen Komponenten der elektromagnetischen Felder entlang der Strahlachse
treten bei der symmetrischen Struktur eines Halbwellen-Resonators nicht mehr auf. Bei
Ausfall eines Resonators können durch Einstellen der Phasenlagen aller übrigen Resonatoren
weiterhin Teilchen beschleunigt werden, wobei eventuell eine leicht geringere Endenergie
erreicht wird.
Aufgrund der geringen Wiederholrate eines Injektors für den Speicherring COSY spielen die
HF-Verluste dabei eine untergeordnete Rolle. Das Design der HWR wurde daher auf eine
größere Impulsakzeptanz der zu beschleunigenden Teilchen optimiert. Es wurde insbesondere
auf eine geringe longitudinale Ausdehnung geachtet, die dennoch einen mechanischen Tuner
erlaubt und eine Trennung von Isolier- und Strahlvakuum ermöglicht.
Die Geschwindigkeit β = v/c der beschleunigten Teilchen ändert sich im supraleitenden Teil
des Linacs von β = 0,073 nach β = 0,32 für Protonen und von β = 0,052 nach β = 0,24 für
Deuteronen. Über diesen großen Geschwindigkeitsbereich ist eine effektive Beschleunigung
mit nur einer HWR-Geometrie nicht möglich. Zunächst wurde ein Linac betrachtet, der aus
drei verschiedenen HWR-Familien mit den Geschwindigkeitsprofilen β str1 = 0,08, β str2 = 0,12
und β str3 = 0,24 besteht.
Durch Optimierung der Geometrie konnte die Anzahl unterschiedlicher Familien von
ursprünglich drei auf zwei reduziert werden. Dadurch lassen sich konstruktiver Aufwand,
Herstellung und somit auch Kosten des gesamten Linacs reduzieren. Zusammen mit den
ionenoptischen Berechnungen [Senichev02] ergeben sich aus den simulierten
elektromagnetischen Feldern Transit-Time-Faktoren [z.B. Wangler98] für Protonen und
Deuteronen, die eine effiziente Beschleunigung für beide Teilchensorten bis etwa 50 MeV mit
nur 44 Kavitäten ermöglichen. Voraussetzung für eine Endenergie von etwa 50 MeV ist dabei
allerdings ein Beschleunigungsfeld von E acc = 8 MV/m. Die hier verwendete Definition des
Beschleunigungsgradienten E acc ergibt sich aus der Integration der E-Feldkomponente E z
entlang der Strahlachse bezogen auf die gewählte Länge l = β str λ: