Kurzfassung
Der Linac II ist Teil der PETRA III speisenden Beschleunigerkette. Seit
PETRA III in Betrieb ist wird höchste Zuverlässigkeit
erwartet, was mehrere Umbauten bedingt. Teil der Umbauten ist das neue
Injektionssystem. Strahlverluste bei hohen Energien, die zu Aktivierung
führen, sollen vermieden werden. Bei Energien von
über 80 MeV betrugen diese 20%. Zudem wird eine Alternative
zur bestehenden Bombardergun benötigt, die in einem
Ölbad betrieben wird, und für die die
Kathodenaufbereitung fehlt. Sie wird zwecks Redundanz beibehalten,
während die neue Gun sich in der Erprobung befindet. Zur
Aufstellung des neuen Injektors und der Zusammenführung mit
dem alten System muss ein Beschleunigerabschnitt entfernt werden. Die
neue Gun liefert Elektronenpulse von 2 bis 30 ns Länge bei 6 A
Strahlstrom. Sie nutzt eine thermionische Kathode, beschleunigt mit 100
kV Hochspannung und ist als Triode aufgebaut. Ein Prebuncher und die
Hybridbuncherstruktur prägen dem Strahl seine 3 GHz Struktur
auf. Der Buncher ist als Wanderwellenstruktur aufgebaut, an die eine
kurze Zelle gekoppelt ist. Diese wird in der π Mode mit einer
stehenden Welle betrieben. Dadurch ist ein besserer Elektroneneinfang
möglich. Eine magnetische Schikane dient als Energiefilter.
Das neue sowie das alte Injektordesign wurden in Simulationen optimiert
und die Transmission durch den Linac verglichen. Als Ursachen
für die Strahlverluste wurden Beamloading und Fehljustage
ausgemacht. Im Fall der Berechnung für die Bombardergun
ergaben sich 1% Verluste bei hohen Energien. Die Justagefehler werden
durch Steuerspulen und neue Optionen in der Strahloptik besser
kompensiert. Das neue Injektionssystem wurde in einem Teststand
aufgebaut und untersucht. Nach Optimierung anfälliger
Komponenten konnte stabiler Strahlbetrieb erreicht werden. Der
Bunchingprozess und der Elektroneneinfang wurden durch Energiemessungen
in der magnetischen Schikane untersucht. Zur Vermessung der Strahloptik
wurden Quadrupolscans bei verschiedenen HF-Einstellungen
durchgeführt. Versuche, Beamloading zu kompensieren, zeigten
vielversprechende Ergebnisse. Gebunchter Strahl von 3,5 A wurde durch
den Buncher geleitet und 2,6 A durch den Energiefilter zum
abschließenden Faraday Cup. Die Tests offenbarten die
ungenügende Fokussierung des Strahls mit einer
Strahlgröße von bis zu 13mm direkt hinter der
Buncherstruktur. Sie erfordert eine neue Solenoidspule mit verbesserter
Kühlung, um höhere Magnetfeldstärken zu
erreichen. Daher wird das neue Injektionssystem statt des ersten den
zweiten Beschleunigerabschnitt ersetzen. Somit wird die Bombardergun
nicht mit der zweiten Buncherstruktur verwendet und ihre Performance
wird nicht riskiert. Seit März 2014 befindet sich der Linac II
in der Wartungsphase, in der der neue Injektor als Quelle des
Injektorkomplexes für PETRA III in Betrieb genommen wird.
The Linac II is the first part of the accelerator chain supplying PETRA
III. Since the start of PETRA III operation, highest reliability is
demanded and several updates are required. Part of these is the new
injection system. Beam loss at high energies and the associated
activation have to be avoided. At energies above 80 MeV particle loss
of 20% occurred. Additionally, an alternative to the old gun, operating
in an oil bath and for which cathode preparation is not available, is
required. The new system will be commissioned while the old bombarder
gun injector is kept for redundancy. In order to obtain the space for
joining the beam lines of both electron sources, one accelerator
section must be removed. Electron pulses of 6 A beam current and 2 to
30 ns length are provided by the new injection system. The gun uses a
thermionic cathode, 100 kV voltage for acceleration and is built as a
triode. Longitudinal focusing is performed by a prebuncher and a hybrid
buncher structure, both operating at 3 GHz. The buncher is a traveling
wave structure to which a short cell has been added, operated in
π mode with a standing wave. That way, better electron capture
is achieved. A magnetic chicane serves for energy filtering. The design
of the injection system, as well as the old injector, have been
optimized in simulations and transmission in the linac has been
compared. Possible reasons for beam loss are beam loading and
misaligned components. For the bombarder gun particle tracking, a loss
of 1% at high energies was observed due to beam loading. The additional
beam optics and steering options in the beam line allow for
compensation of the misalignment of preceding and succeeding
components. The complete new injection system has been operated in a
test stand and has undergone extensive tests. After successive
enhancement of technically critical components, reliable operation was
possible. Investigations of the electron capture and bunching procedure
have been carried out by energy measurements in the magnetic chicane.
For beam optics measurements, quadrupole scans for different rf
settings were executed. Beam loading compensation showed promising
results. Bunched beam of up to 3.5 A was transmitted through the
buncher structure and 2.6 A through the energy filter to the
terminating Faraday cup. The tests revealed an insufficiently focused
beam with a beam size of up to 13mm directly behind the buncher
structure. This necessitates a better cooled buncher’s
solenoid coil in order to achieve a higher magnetic field. For those
reasons, the new injection system is going to replace the second
section of the main linac instead of the first. In this manner, the
second buncher structure is not needed for the bombarder gun injector
and thus its performance is not risked. Since March 2014 the Linac II
has been shut down and the installation of the new injection system and
commissioning as electron source for the injector complex for PETRA III
is ongoing.