Published October 28, 2019 | Version v1
Miscellaneous

Development and commissioning of two superconducting 217 MHz CH structures for the HELIAC project

Description

In the context of the work presented here, two identical CH structures were developed for the HELIAC project (HELmholtz LInear ACcelerator) currently under construction and accompanied during production up to the final cold tests at 4.2 K. The two CH structures are now in use. Together with the CH structure of the demonstrator project, they enable the full commissioning and first beam test of the HELIAC's first cryomodule, which consists of four cryomodules with a total of 12 CH structures. Compared to previous CH structures, the design of the cavities was fundamentally revised and optimised as part of this dissertation. By removing the girders and the conically shaped end caps, the stability of the new CH structures could be significantly increased, so that the pressure sensitivity could be reduced by approx. 80% compared to the first CH cavity of the demonstrator project. Due to the outwardly drawn lamellae of the dynamic tuners, the mechanical stress as well as the required number of lamellae and thus the risk for the occurrence of multipacting could be reduced. The reduced risk of multipacting due to the corresponding optimisations of the cavities could be verified by the permanent overcoming of all multipacting barriers in the later measurements. Both cavities were optimised with the help of the simulation programmes CST Studio Suite and Ansys Workbench. Both cavities were manufactured by Research Instruments (RI) and monitored by various intermediate measurements during the entire construction. After each individual production step, all influences on the resonance frequency were determined so precisely that the target frequency at 4.2 K could be achieved with an accuracy of more than 1‰. Automated recording routines were used both during the intermediate measurements and during the final measurements at 4.2 K, which enabled the measurement data to be read out to the second and thus a high degree of measurement accuracy. With regard to the complexity of the CH structures, the small deviations from the target frequency are direct evidence of how successful and precise the evaluations and resulting estimates of the individual intermediate measurements were. All in all, with the exception of the mechanical eigenmodes, all results of the simulations could be verified by corresponding measurements in a good approximation. Two dynamic tuners were installed in each cavity, which can compensate for static and dynamic frequency deviations in later operation. The dynamic tuners were examined and optimised in detail with regard to their mechanical stability and the frequency change that can be generated, as well as their mechanical natural frequencies, using the simulation programmes CST Studio Suite and Ansys Workbench. In order to check the results of the simulations, a specially designed measurement set-up was used, which was manufactured in the workshop of the Institute of Applied Physics and made it possible to precisely measure all the decisive properties of the dynamic tuners. Overall, the detailed measurements with the help of the designed setup represent the most comprehensive measurements of dynamic bellows tuners within superconducting CH structures to date and show which deviations between simulations and measurements are to be expected in future cavities. The field distribution along the beam axis was also checked during the production of the cavities using the interference body measurement method. The values determined in this way agreed very well with the simulations, with a maximum discrepancy of 9%. In order to guarantee the best possible surface quality, at least 200 µm was removed from the inner surface of both structures in several steps using a mixture of hydrofluoric, nitric and phosphoric acid. By dividing the treatment into individual steps, the influence of the surface treatment on the resonance frequency could be better estimated and predicted. This, together with the measurements to determine the pressure sensitivity and the thermal contraction of the cavity during cooling, led to the high agreement of the measured final resonant frequency with the target frequency. The final cold tests of the two cavities, without helium sheath, were performed at the Institute of Applied Physics of the Johann Wolfgang Goethe University in a vertical bath cryostat. The first CH structure was successfully tested up to a maximum field gradient of 9.2 MV/m, which corresponds to an effective stress of 3.37 MV. The unloaded quality dropped from 1.08 ∙ 109 at the beginning to 2.6 ∙ 108. The specifications of the HELIAC project are for an acceleration gradient of 5.5 MV/m with an unloaded quality of at least 3 ∙ 108. These values were clearly exceeded by the first cavity, so that it can be used without restriction for operation within the first cryomodule. For the second cavity, a vacuum leak occurred during cooling to 4.2 K, which was not detectable at room temperature. Due to the poor vacuum conditions inside the cavity, it was therefore not possible to carry out any measurements regarding the performance as long as the cold leak was present. A new cold test of the cavity after removal of the leak could not be carried out within the scope of this work and is therefore the subject of subsequent investigations. Overall, the developments, investigations and measurements within the framework of the dissertation presented here represent a decisive step towards the commissioning of the HELIAC's first cryomodule and the development of further CH cavities. The revised design of the CH structures has proven successful, which is why it is used as a starting point for the development of all subsequent CH structures of the HELIAC, up to the completion of the complete accelerator.

Availability note (English)

Available from: http://publikationen.ub.uni-frankfurt.de/frontdoor/index/index/docId/51767

Abstract (German)

Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden zwei baugleiche CH-Strukturen für das im Bau befindliche HELIAC-Projekt (HELmholtz LInear ACcelerator) entwickelt und während der Produktion bis hin zu den finalen Kalttests bei 4.2 K begleitet. Zusammen mit der CH-Struktur des Demonstrator-Projektes ermöglichen sie die vollständige Inbetriebnahme und den ersten Strahltest des ersten Kryomoduls des HELIAC's, welcher aus vier Kryomodulen mit insgesamt 12 CH-Strukturen besteht. Im Vergleich zu bisherigen CH-Strukturen wurde das Design der Kavitäten im Rahmen dieser Dissertation grundlegend überarbeitet und optimiert. Durch die Entfernung der Girder und die konisch geformten Endkappen konnte die Stabilität der neuen CH-Strukturen deutlich erhöht werden, sodass die Drucksensitivität im Vergleich zur ersten CH-Kavität des Demonstrator-Projektes um ca. 80% reduziert werden konnte. Durch die nach außen gezogenen Lamellen der dynamischen Tuner konnte die mechanische Spannung sowie die benötigte Anzahl an Lamellen und damit das Risiko für das Auftreten von Multipacting reduziert werden. Das verringerte Risiko für Multipacting durch die entsprechenden Optimierungen der Kavitäten konnte durch die dauerhafte Überwindung aller Multipacting-Barrieren in den späteren Messungen verifiziert werden. Die Optimierung beider Kavitäten erfolgte dabei mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench. Beide Kavitäten wurden von der Firma Research Instruments (RI) gefertigt und während der gesamten Konstruktion durch diverse Zwischenmessungen überwacht. Nach jedem einzelnen Produktionsschritt wurden alle Einflüsse auf die Resonanzfrequenz so präzise ermittelt, dass die Zielfrequenz bei 4.2 K auf mehr als 1‰ genau erreicht werden konnte. Sowohl während der Zwischenmessungen als auch während den finalen Messungen bei 4.2 K wurden automatisierte Aufzeichnungsroutinen verwendet, welche eine sekundengenaue Auslese der Messdaten und damit eine hohe Messgenauigkeit ermöglichten. Im Hinblick auf die Komplexität der CH-Strukturen sind die geringen Abweichungen von der Zielfrequenz der direkte Beweis dafür, wie erfolgreich und präzise die Auswertungen und daraus folgenden Abschätzungen der einzelnen Zwischenmessungen waren. Insgesamt konnten bis auf die mechanischen Eigenmoden alle Ergebnisse der Simulationen durch entsprechende Messungen in guter Näherung verifiziert werden. In jeder Kavität wurden zwei dynamische Tuner verbaut, welche statische und dynamische Frequenzabweichungen im späteren Betrieb ausgleichen können. Die dynamischen Tuner wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und der erzeugbaren Frequenzänderung sowie ihrer mechanischen Eigenfrequenzen ausführlich mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench untersucht und optimiert. Um die Ergebnisse der Simulationen zu überprüfen wurden ein eigens dafür entworfener und in der Werkstatt des Instituts für Angewandte Physik gefertigter Messaufbau verwendet, welcher es ermöglichte alle entscheidenden Eigenschaften der dynamischen Tuner präzise zu vermessen. Insgesamt stellen die ausführlichen Messungen mit Hilfe des entworfenen Aufbaus die bisher umfassendsten Messungen dynamischer Balgtuner innerhalb supraleitender CH-Strukturen dar und zeigen, mit welchen Abweichungen zwischen Simulationen und Messungen bei zukünftigen Kavitäten zu rechnen ist. Auch die Feldverteilung entlang der Strahlachse wurde während der Produktion der Kavitäten mit Hilfe der Störkörpermessmethode überprüft. Die dadurch ermittelten Werte stimmten mit einer maximalen Diskrepanz von 9% sehr gut mit den Simulationen überein. Um eine möglichst gute Oberflächenqualität zu garantieren wurden an der Innenfläche beider Strukturen mindestens 200 µm mit einer Mischung aus Fluss-, Salpeter und Phosphorsäure in mehreren Schritten abgetragen. Durch das Aufteilen der Behandlung in einzelne Schritte konnte der Einfluss der Oberflächenbehandlung auf die Resonanzfrequenz besser abgeschätzt und vorausgesehen werden. Dies führte, zusammen mit den Messungen zur Bestimmung der Drucksensitivität und der thermischen Kontraktion der Kavität beim Abkühlen, zu der hohen Übereinstimmung der gemessenen finalen Resonanzfrequenz mit der Zielfrequenz. Die abschließenden Kalttests der beiden Kavitäten, ohne Heliummantel, wurden am Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe Universität in einem vertikalen Bad-Kryostaten durchgeführt. Die erste CH-Struktur konnte erfolgreich bis zu einem maximalen Feldgradienten von 9.2 MV/m getestet werden, was einer effektiven Spannung von 3.37 MV entspricht. Die unbelastete Güte fiel dabei von anfangs 1.08 ∙ 109 auf 2.6 ∙ 108 ab. Die Vorgaben des HELIAC-Projektes liegen bei einem Beschleunigungsgradienten von 5.5 MV/m mit einer unbelasteten Güte von mindestens 3 ∙ 108. Diese Werte wurden von der ersten Kavität deutlich übertroffen, sodass sie für den Betrieb innerhalb des ersten Kryomoduls uneingeschränkt verwendet werden kann. Bei der zweiten Kavität trat beim Abkühlen auf 4.2 K ein Vakuumleck auf, welches unter Raumtemperatur nicht detektierbar war. Aufgrund der schlechten Vakuumbedingungen innerhalb der Kavität konnten somit keine Messungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit durchgeführt werden, solange das Kaltleck vorhanden war. Ein erneuter Kalttest der Kavität nach Beseitigung des Lecks konnte zeitlich nicht mehr im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt werden und ist aus diesem Grund Gegenstand nachfolgender Untersuchungen. Insgesamt stellen die Entwicklungen, Untersuchungen und Messungen im Rahmen der hier vorgestellten Dissertation einen entscheidenden Schritt zur Inbetriebnahme des ersten Kryomoduls des HELIAC's sowie der Entwicklung weiterer CH-Kavitäten dar. Das überarbeitete Design der CH-Strukturen hat sich als erfolgreich erwiesen, weswegen es als Ausgangspunkt für die Entwicklung aller nachfolgenden CH-Strukturen des HELIAC, bis hin zur Fertigstellung des kompletten Beschleunigers, verwendet wird.

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Entwicklung und Inbetriebnahme zweier supraleitender 217 MHz CH-Strukturen für das HELIAC-Projekt

Publishing Information

Imprint Pagination
180 p.

INIS

Country of Publication
Germany
Country of Input or Organization
Germany
INIS RN
53050161
Subject category
S43: PARTICLE ACCELERATORS; S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis, Non-conventional Literature
Descriptors DEI
CRYOSTATS; HELIUM; LINEAR ACCELERATORS; MHZ RANGE; PHOSPHORIC ACID; READOUT SYSTEMS; SIMULATION
Descriptors DEC
ACCELERATORS; CONTROL EQUIPMENT; ELEMENTS; EQUIPMENT; FLUIDS; FREQUENCY RANGE; GASES; HYDROGEN COMPOUNDS; INORGANIC ACIDS; INORGANIC COMPOUNDS; NONMETALS; OXYGEN COMPOUNDS; PHOSPHORUS COMPOUNDS; RARE GASES; THERMOSTATS