Entwicklung der 7-Spalt-Struktur für den Münchner Spaltfragmentbeschleuniger MAFF

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.