Beschleunigerphysik
Der S-DALINAC besteht aus zwölf supraleitenden 20-Zell Niob Kavitäten, die bei 2 K und einer Frequenz von 2.9975 GHz betrieben werden. Mit einem Entwurfs-Beschleunigungsgradients von 5 MV/m und einem Entwurfsqualitätsfaktor von 3·109 im Dauerstrichbetrieb wird ein Endenergie der Maschine von 130 MeV erreicht, wenn der Strahl zweimal rezirkuliert wird. Der erste Satz von Kavitäten wurde in der 80er Jahren bei Interatom unter Verwendung von niedrigem-RRR Materiel gebaut, so dass die beobachtete Leistung bezüglich des Gradienten und des Qualitätsfaktors ziemlich schwach ausfiel. Entsprechend wurde ein zweiter Satz von Kavitäten aus RRR-300 Material in den 90er Jahren bestellt. Diese Kavitäten, geschweißt bei Dornier, werden seitdem verwendet. Von ihnen erreichen alle den Entwurfsgradienten und übertreffen ihn zum Teil um mehr als 50 %. Leider profitierte der Beschleuniger nicht davon. Durch die begrenzte Kühlleistung von einigen 100 Watt und dem recht gerigenn Q-Wert der Kavitäten (typischerweise unter 1·109) müssen sie unter dem maximalen Gradient betrieben werden. Die Endenergie des Beschleunigers im Dauerstrichbetrieb überschreitet daher nie 90 MeV. Dementsprechend gibt es weiterhin das Ziel die Designenergie von 130 MeV zu erreichen. Viele Maßnahmen zum Erreichen eines höheren Qualitätsfaktors wurden in der Vergangenheit ergriffen und legten die Grundlagen zur SRF-Forschung im Haus. Gegenwärtig liegt das Augenmerk auf hitzebehandelte Kavitäten in unserem UHV-Ofen. Die Erhitzung der Kavitäten auf 850 C zielt darauf ab, restlichen Wasserstoff zu entfernen, der als Ursache für eine starke Erniedrigung des Qualitätsfaktors bekannt ist, allgemein als Q-Krankheit genannt. Zusätzlich werden Verbesserungen des Magnetabschirmung innerhalb der Beschleunigerkryostaten angewendet um das Einfrieren des magnetischen Flusses während der Abkühlung zu reduzieren.
Die Strahldynamik des S-DALINAC ist recht kompliziert. Als rezirkulierender Linac ist die Maschine weder ein einzelner Linac noch ein Kreisbeschleuniger: Sie kombiniert Eigenschaften von beiden Typen in einer mikroton-artigen Weise. Daher werden Untersuchungen des longitudinalen Arbeitspunktes durchgeführt. Eine Reduktion der Energieverbreiterung wird durch ein theoretisches Modell vorhergesagt und erste Zeichen von ihrer Existenz wurden vor vielen Jahren beobachtet. Ein endgültiger Beweis steht als wichtiger Schritt noch aus.
Zusätzlich sind einige Verbesserungen der Maschinenstruktur in Arbeit, die eine detaillierte Neuberechnung der Strahldynamik erfordern. Eine davon ist der Aufbau einer dritten Rezirkulation, um die Beschleunigerenergie zu erhöhen und den Energiegewinn durch den Hauptbeschleuniger ein weiteres Mal auszunutzen. Dieses würde zu ungefähr 120 MeV im Dauerstrichbetrieb führen. Der Einbau einer dritten Rezirkulation wurde vor kurzem möglich, da die alte Strahlführung zum Undulator (als Teil der Darmstadt Freie-Elektronen-Laser-Anlage) in 2006 abgebaut wurde. Eine vorläufige Designstudie zeigte die Möglichkeit auf, eine neue Rezirkulation zwischen den beiden schon existierenden. Ein besonderer Vorteil dieses Entwurfes ist, dass der größte Teil der existierenden Strahlführung und Magnete wiederverwendet werden kann, obwohl sich die Strahlenergie ändert. Neben vier neuen Ablenkmagneten, die die zusätzliche Rezirkulation bilden, müssen nur die Separations- und Vereinigugsmagnete am Beginn und Ende der Rezirkulation ersetzt werden.
Eine weitere Verbesserung in Bezug auf die Strahldynamik ist die Installation von zwei Scraper-Systemen. Das Scraper-System im Injektorbogen entfernt den niederenergetischen Schwanz des Strahles bei der Injektion in den Haupt-Linac. Gegenwärtig wird die Dynamik des Injektors optimiert, um den Aufbau eines kürzlich entworfenen Kollimators zu erlauben.
Nach drei Durchläufen druch den Linac, der acht unabhängig kontrollierte Beschleunigerkavitäten enthält, sichert ein transversales Abschneiden in Kombination mit einer zusätzlichen longitudinalen Kollimation die höchste Strahlqualität durch Entfernen jeglichen Strahlhalos. Das vorgeschlagene System wird an der Extraktionsstrahlführung platziert, wobei des Gitter und ihre Dynamik angepasst werden müssen. Zusätzlich kann das longitudinale Abschneiden die Energieverbreiterung weiter reduzieren auf Kosten des Strahlstromes. Durch die Maximierung der Dispersion in diesem Abschnitt wird ein effizientere Energiekollimation erreicht im Vergleich zum existierenden System. Damit wird eine Enegiedefinition von besser als 10 keV möglich. Dieses ist eine Schlüsselgröße für die höchst anspruchsvollen Experimente, die im Rahmen des SFB vorgeschlagen wurden.
Für eine erfolgreichenn Betrieb des Beschleunigers sind Fernsteuerung, Datenaufnahme und aktive Rückkoppelungskreise essentiell. Für lange Jahre wurde solch eine Kontrollsystem hausintern entwickelt. Mit Ersetzen der systemnahen RF-Kontrolle erfolgte ein Übergang zum EPICS-System (entwickelt in weltweiter Zusammenarbeit verschiedener Beschleuniger-Institute) für langsame Daten.
Die Controller-Platinen werden mit einem Standard.PC über einen CAN-bus verbunden. Diese Verbindung wird zur Beobachtung und Anpassung aller langsam veränderlicher Parameter des Steuerungsalgorithmus und der Hardwar (z.B. durch Nutzereingriff) verwendet. Der Mikrocontroller, der die FPGA-Platinen mit dem CAN-bus verbindet, läuft mich Nut/OS, einem Open-Source Realzeit Steuerungssystem, das kooperatives Multi-threading erlaubt. Der PC läuft unter Linux und einem EPICS IOC, der an den CAN-bus über einen Gerätetreiber angeschlossen ist, der den Socket-CAN Netzwerkstapel verwendet als Teil von aktuellen Linux Kernels (seit 2.6.25). Socket-CAN erlaubt den Zugriff zum CAN-bus über Netzwerkgeräte (BSD sockets), welche gleichzeitig mit mehrfachen Anwendungen (z.B. IOC und CAN sniffer) zugänglich sind. Weiterhin wirkt er als Abstraktionsebene, das die Geräteunterstützung unabhänigig von einer spezifischen CAN-card oder einem Hardware-Lieferer macht. (Alle CAN-cards mit einem Socket-Can Treiber werden unterstützt). insgesamt erlaubt das IOC gegenwärtig mehrere Tausend Aufzeichungen für alle 16 RF Kanäle.
The operator interface has been implemented with Synoptic Display Studio. Currently, the transition of the beam line magnet power supplies to an EPICS IOC is being programmed. One major issue is the implementation of the hardware turn-knobs being available for set-parameter variations within the in-house control system allowing the operator to adjust magnet parameters easily.
So far, data logging is achieved only for a limited set of parameters using a non-EPICS data base. Nevertheless, this self-made system provides a web interface, allowing easy access to the current and recent data. The transition of this system will be a future activity.
