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Bongers, Henning (2003): Entwicklung der 7-Spalt-Struktur für den Münchner Spaltfragmentbeschleuniger MAFF. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Am neuen Forschungsreaktor München II (FRM II) wird der Münchener Spaltfragmentbeschleuniger MAFF (Munich Accelerator for Fission Fragments) entwickelt. Ziele dieses Projektes sind die Produktion von stabilen neuen schweren Elementen (mit Z > 100) und Experimente zur Untersuchung der Kernstruktur von neutronenreichen Spaltprodukten und des r-Prozesses in der Astrophysik. Der LINAC von MAFF besteht aus einem RFQ, einer Boostersektion mit drei Beschleunigertanks und einer energievariablen Sektion mit zwei baugleichen 7-Spalt-Resonatoren. Durch Ein- bzw. Abschalten des dritten Beschleunigertanks können die Spaltfragmente mit zwei verschiedenen Energien (4.15 MeV/u bzw. 5.40 MeV/u) in die 7-Spalt-Sektion eingeschossen werden. Durch Nachbeschleunigen bzw. Abbremsen soll stufenlos ein Endenergiebereich von 3.7 MeV/u bis 5.9 MeV/u abgedeckt werden können. Alle Komponenten des LINAC sind als IH-Resonatoren ausgeführt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung und der Bau der 7-Spalt-Resonatoren. Diese wurden für eine mittlere Teilchengeschwindigkeit von β = 0.10 und einem Masse/Ladungs Verhältnis von A/q ≤ 6.3 ausgelegt. Die Resonatoren sollen bei einer Frequenz von 202.56 MHz (CERN-Frequenz) und einer gepulsten Leistung bis max. 100 kW betrieben werden (Tastverhältnis = 1:10). Nach Festlegung dieser Parameter wurden durch Simulationen mit dem Code MAFIA die Dimensionen eines 1:1 Modells bestimmt, an dem dann durch Variation der Geometrien die Resonatoreigenschaften experimentell untersucht wurden. Mit den Programmen LINAC und LORASR wurde die Strahldynamik untersucht. Die Rechnungen zeigten transversal und longitudinal ein geringes Emittanzwachstum von unter 5 % für die extremsten Beschleunigungs- und Abbremsszenarien. An einem Leistungsresonator wurden anschließend sowohl Niederleistungsmessungen zur Verifizierung der Rechnungen durchgeführt, als auch Hochleistungtests, um zu demonstrieren, daß die geforderten Designspannungen und damit auch die entsprechenden Beschleunigungen erreicht werden können. Dazu wurde am Maier-Leibnitz-Labor eine Test-Stahllinie aufgebaut, in der ein 16O5+ Ionenstrahl mit 4.15 MeV/u (DC und gepulst) in den Resonator eingeschossen und erfolgreich beschleunigt bzw. abgebremst wurde. Die dabei ermittelte Shuntimpedanz von 120 MΩ/m für hohe Senderleistung läßt bei maximaler Senderleistung theoretisch eine Gesamtresonatorspannung von bis zu 2.4 MV erwarten, wodurch ein Endenergiebereich von 3.6 MeV/u bis 6.0 MeV/u abgedeckt werden kann. Der IH-Resonator läßt eine einfache Modifikation der Driftr¨ohrenstruktur zu. Es ist vorgesehen, bis zur Fertigstellung von MAFF, den schon gebauten Prototyp als 9-Spalt-Resonator in zwei einfach umzubauende Versionen beim REX-ISOLDEProjekt am CERN einzusetzen. Die für eine Leistungssteigerung von 2.2 MeV/u auf 3.1 MeV/u nötigen Komponenten der Driftröhrenstruktur wurden bereits gefertigt und probeweise in den Resonatortank eingebaut. Bei Niederleistungstest von Resonanzfrequenz und Spaltspannungsverteilung wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit den Simulationen festgestellt. Die gemessene Resonanzfrequenz lag dabei nur ca. 0.05% über der berechneten Frequenz. Die Güte Q wurde bei den Niederleistungsmessungen mit 9833 bestimmt.