PT1: Supraleitende Beschleunigertechnologie

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Jan Geisler
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1 PT1: Supraleitende Beschleunigertechnologie Hans Weise / DESY für PT1 Team: Hans Müller & Sascha Mickat / GSI Sara Casalbuoni & Anke-Susanne Müller / KIT Jens Knobloch / HZB Hans Weise et al. / DESY

Protonen-und Ionenstrahlen Supraleitende

2 PT1: supraleitende Beschleunigertechnologie Schnell veränderbare supraleitende Magnete, supraleitende Undulatoren Supraleitende Linearbeschleuniger für hochintensive Protonen-und Ionenstrahlen Supraleitende Linearbeschleuniger für Dauerstrich(CW) Elektronenstrahlen Materialforschung, Oberflächenbeschichtung, neue Herstellungsverfahren, Verbindungen zu den PTopics 2 und 4

3 PT1: Supraleitende Magnetsysteme Schwerpunkt liegt auf den schnell gerampten Magnetsystemen. Die anderen aufgeführten Themen (supraleitende strahlenresistente Magnete, Spulen aus HTS-Material und supraleitende Septummagnete) sollen erst in der folgenden PoF-Periode gestartet werden. Im Einzelnen sollen folgende Schritte durchgeführt werden: Anpassung des Magnetteststandes für die Messung eines schnell gerampten CosΘ Dipols von INFN (2011) Bau einer supraleitenden Spule für einen schnell gerampten Sextupolmagneten ( ) Bau eines zweiten CosΘ Dipolmagneten in Zusammenarbeit mit INFN und CERN ( ) Kollaborationspartner Institute INFN (Genua, Mailand, Salerno, Italien) IHEP (Protvino, Russland) JINR (Dubna, Russland) CERN (Genf, Schweiz) Firmen Babcock-Noell (Würzburg) ASG (Genua, Italien)

4 PT1: Supraleitende Undulatoren Supraleitende Insertion Devices (sc IDs) sind ein KIT Kernthema Supraleitende Undulatoren sind für den Einsatz in Ultra-Niedrig-Emittanz- Speicherringen, ERLs und als Dämpfungswiggler für z.b. CLIC oder ILC von Interesse enabling technology sc Ids und sc Us können die Leistungsfähigkeit existierender Beschleuniger für zukünftige Anforderungen der Grundlagenforschung deutlich verbessern. Innerhalb des ARD Programms plant KIT die Untersuchung von Hochtemperatur-Supraleitertechnologie für die (über)nächste Generation von sc Ids in engster Kooperation mit einem Industrie-Partner und in Verknüpfung mit der Ausbildung (Doktoranden, Bachelor- und Masterarbeiten auf diesem Thema)

und Test langer HTS Undulator Prototyp 2011 2012 2013 2014 2015 erste HT-Mockups gebaut;

5 PT1: Supraleitende Undulatoren Design und Herstellung stacked HTS Undulatorspule Test stacked HTS Undulatorspule Design, Bau und Test kurzer HTS Undulator Prototyp Design, Bau und Test langer HTS Undulator Prototyp erste HT-Mockups gebaut; vielversprechende Ergebnisse umfangreiche Testeinrichtungen existieren am KIT (z.b. CASPER I & II)

6 Überblick: ARD Beteiligung HZB (PT1, PT2, PT4) Allgemeines Ziel: Entwicklung SRF Systeme für diverse CW Hochstrom-Anwendungen Konkrete Anwendung: BERLinPro + BESSY II Kurzpulsbetrieb per Overvoltage Weitere Anwendungen: MESA, Next Generation VUV Lithographie (z.b. Zeiss), Compton Quellen, ERL Lichtquellen,... Notwendige Entwicklung 1. CW Hochstrom-Beschleunigungsmodule PT1 2. CW Hochstrom-Elektronenquelle PT2 3. Analyse und Modifikation BESSY II für Kurzpulsbetrieb PT3 Wechselwirkungen zwischen Programmthemen PT1 Resultate fließen in die Entwicklungen einer SRF Elektronenquelle in PT2 mit ein. Ergebnisse von PT1 und PT2 finden Anwendung bei BERLinPro. PT1 entwickelt harmonische Systeme für BESSY II, während sich PT4 mit den theoretischen Untersuchungen (z.b. Strahldynamik, mögliche Instabilitäten) sowie der Installation im Speicherring befasst. Anforderungen an CW Systeme für BESSY II Kurzpulsbetrieb werden in PT4 definiert und in PT1 für das Systemdesign verwendet.

PT1: CW Hochstrom-Beschleunigungssysteme L-Band Kavitäten für 100 ma+ Betrieb (1,3 GHz 1,75 GHz) Basis: ERL Entwicklung, wellenleiter-gedämpfte Systeme.

Herausforderungen Plan Hohe CW Feldstärke Erzielung geringster dynamischer/statischer Verluste Genaue Feldregelung bei kleiner Bandbreite Sehr effiziente Extraktion der höheren Moden Platzsparend

7 PT1: CW Hochstrom-Beschleunigungssysteme L-Band Kavitäten für 100 ma+ Betrieb (1,3 GHz 1,75 GHz) Basis: ERL Entwicklung, wellenleiter-gedämpfte Systeme. Anforderungen BESSY II sind ähnlich: geringes Beam Loading, hoher Strom, Pulslänge im Bereich einiger ps. Herausforderungen Plan Hohe CW Feldstärke Erzielung geringster dynamischer/statischer Verluste Genaue Feldregelung bei kleiner Bandbreite Sehr effiziente Extraktion der höheren Moden Platzsparend Ermittlung BERLinPro/BESSY II Anforderungen an Kavitäten: Kollaboration mit Humboldt Universität, TU Dortmund Entwicklung 1.3 GHz Kavitäten für 100-mA Betrieb: Kollaboration mit Universität Rostock, TU Dortmund, Jefferson Laboratory (USA) Qualifizierende Tests in HoBiCaT (später BERLinPro) Model by B. Riemann, TU Dortmund Skalierung/Modifikation für 1.5 GHz Betrieb, gemäß Anforderungen PT4, Kollaboration mit Uni Rostock und TU Dortmund Entwicklung Modul mit 2 Kavitäten. Kollaboration mit Uni Mainz ( MESA) angestrebt.

8 HZB Infrastruktur für PT1, PT2 und P4 Existiert: HoBiCaT Test Anlage und UV Laser o HF Tests vollständiger SRF Systeme (inkl. Koppler, Tuner, HOM Dämpfer usw.) bei 1.8 K. o Tests von SRF Injektoren mit Strahl und Diagnose o Erweiterter Bunker ermöglicht Installation eines dedizierten SRF Injektor Teststands wie auch Kryomodule. o Einsatz für PT1, 2, 4. Im Aufbau: SRF Vertikalteststand o Akzeptanztests von SRF Kavitäten (PT1, 2, 4) o Reinraumkapazitäten für SRF Kavitäten (PT1, 2, 4) Im Aufbau: Kathodenteststand o Produktion und Charakterisierung von Kathoden für PT2 Im Aufbau: Hochleistungskoppler-Teststand o Kopplertests notwendig für Hochstrombetrieb (PT2)

9 ARD (co)-finanzierte Meilensteine: PT1 Meilenstein Jahr Kollaborationen E&M Design Hochstromkavität (1.3 GHz) 2011 Universität Rostock TU Dortmund Jefferson Laboratory (USA) Produktion Vertikalteststand für L-Band Kavitäten und Modifikation Reinrauminfrastuktur 2013 Prototyp SRF Kavität getestet 2013 Modifikation SRF Einheiten/Produktion/Tests 2014 TU Dortmund Universität Mainz (tbc) Jefferson Laboratory (USA) TU Dortmund Universität Mainz (tbc) Jefferson Laboratory (USA) Universität Siegen (tbc) Produktion/HoBiCaT Tests eines 1.5 GHz Moduls ( PT4) Jefferson Laboratory (USA, tbc) Universität Siegen (tbc) Strahltests mit SRF Injektor von PT2 in HoBiCaT 2017 Universität Siegen (tbc)

HF-Stabilisierung Supraleitende Gun siehe PT2 Mit geringerer

10 PT1: SRF Aktivitäten bei DESY Aufbau und Test einer IOT cw HF-Quelle Test eines XFEL Moduls im cw Betrieb cw Betrieb eine Moduls und HF-Stabilisierung Supraleitende Gun siehe PT2 Mit geringerer Priorität: Materialforschung, Oberflächenbeschichtung, neue Herstellungsverfahren

11 PT1: cw Test eines XFEL Beschleunigermoduls Erste cw Gehversuche im Sommer 2011: Ergebnisse zum Start des ARD Programms Detailierung des Programm für die kommenden Jahre auf Basis des ersten Tests

12 PT1: Low beta SRF-Strukturen für Schwerionen Die GSI hat durch die sehr enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Physik (IAP) der Goethe-Universität in Frankfurt Zugriff auf Kompetenz und Infrastruktur in der praktischen Realisierung von SRF. Meilensteine für das sc cw-linac Demonstrator-Projekt bis 2013/14 und ab 2013/14 für den sc cw-linac Jahr Meilenstein Aufgaben Status 2011 Spezifikation der Komponenten Designstudie "CH-Kavität" Designstudie "sc Solenoid" Designstudie "Kryostat" Designstudie "HF-Tuner" 100 % 95 % 95 % 50 % 2011/12 Lieferung der Komponenten LHe-Supply 100 % (3000 ltr Tank, 25 m 3 Gassack) HF-Sender (5 kw) CH-Kavität 100 % 5 % 2012/13 Kalt-Warm-Tests am IAP Aufbau der Testumgebung 30 % 2013/14 "Full performance"-test bei GSI (LHe-Versorgung, Strahlenschutzbunker,...) Aufbau Testumgebung (Strahlführung, LHe-Versorgung, Strahlenschutzbunker,...) 10 % ab 2012/14 Realisierung "sc cw-linac" 2019 Inbetriebnahme "sc cw-linac" z.b. strahldynamische Auslegung, Serienentwicklung, %

Dies geschieht über die jeweils benachbarten Universitäten.

13 Während der Projektphasen von XFEL und FAIR steht der Technologietransfer im Vergleich zur Ausbildung im Vordergrund. Dennoch können insbesondere PostDocs und Doktoranden gut in das R&D Programm eingebunden werden. Dies geschieht über die jeweils benachbarten Universitäten. Materialforschung, Oberflächenbeschichtung, neue Herstellungsverfahren könnten in der nächsten PoF Periode in der Zusammenarbeit mit Universitäten an Bedeutung gewinnen.

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