Auslegung der Kavitäten des Linearbeschleunigers der High Brilliance Neutron Source

Die Verfügbarkeit von Neutronen für die Forschung in Europa wird in den nächsten Jahren und Jahrzehnten sinken und somit auch die Zahl möglicher Experimentiertage abnehmen. Im Jahr 2019 wurden aufgrund von Alter und politischen Entscheidungen drei reaktorbasierte Neutronenquellen eingestellt. Als Folge hat das Europäische Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) verschiedene Zukunftsszenarien für europäische Neutronenquellen untersucht und vor einer Neutronenverfügbarkeitslücke gewarnt. Um diesen Bedarf zu decken, wird die High Brilliance Neutron Source (HBS) entwickelt. HBS gehört zur Kategorie der High Current Accelerator Based Neutron Sources (HiCANS) und verwendet eine niederenergetische Kernreaktion, bei welcher Protonen auf ein Tantal-Target geschossen werden, um Neutronen zu erzeugen. Die Wahl der Technologie für den Linearbeschleuniger beruht dabei auf Parametern wie Protonenenergie, benötigter Strahlleistung und Tastverhältnis. Der Linearbeschleuniger wird gepulst betrieben. HBS zielt darauf ab, die Kosten zu minimieren, während man den Neutronenstrom erhöht und die Strahlqualität verbessert. Hauptnutzer werden Experimentatoren aus den Gebieten der Materialforschung und der Isotopenproduktion sein. Weitere Anwender von HBS sind aus Gebieten wie zum Beispiel der Forschung über Quantenphänomene, biologische Mechanismen wie mRNA-Funktion und chemische Reaktionen. Diese Dissertation behandelt insbesondere die Auslegung der Beschleunigerkavitäten des Driftröhrenbeschleunigers für HBS. Die Entwicklung der CH-Kavitäten für das HBS-Projekt unterliegt neben den allgemeinen Beschleuniger-Anforderungen spezifischen Projektanforderungen. So ist z.B. eine Begrenzung der Länge der Kavitäten gewünscht, welche darauf abzielt, die Folgen von Ausfällen einzelner Komponenten zu minimieren und die benötigte HF-Leistung pro Kavität zu begrenzen. Das Design der HBS CH-Strukturen basiert auf dem MYRRHA-Design, welches wiederum auf dem FRANZ-Design aufbaut. Zwei Kavitäten im MYRRHA-Design wurden bisher erfolgreich getestet. Diese dienen als Grundlage, um das CH-Design für HBS zu optimieren. Als Grundlage der in dieser Dissertation durchgeführten Untersuchungen wird die Bedeutung von Mesh-Strukturen in der digitalen Strukturberechnung erläutert und die Mesh-Typen Tetrahedral Mesh und Hexahedral Mesh verglichen. Im Allgemeinen benötigt das Hexahedral Mesh weniger Zellen, um eine Struktur abzubilden, während Tetrahedral Mesh besser für komplexe Objekte mit gekrümmten Flächen geeignet ist. Innerhalb von CST Studio Suite, womit die Berechnungen durchgeführt wurden, ist es meistens sinnvoller mit dem Tetrahedral Mesh zu arbeiten, da dieses die Resonanzfrequenz zuverlässiger bestimmen kann. Neben einer Diskussion über den Parameter der Mesh-Qualität und dem Vergleich von Simulation zu Realität werden auch die Grenzen einer Simulation aufgrund von begrenzten Computer-Ressourcen aufgezeigt. Eine realitätsgetreue Computational Fluid Dynamics-Simulation (CFD-Simulation) einer CH-Kavität ist aus den aufgezeigten Gründen weder in CST noch in AnSys mit akzeptablem Aufwand realisierbar. Für das resultierende HBS-CH-Design wurde zum einen der Einfluss der Apertur auf die HF-Parameter untersucht und eine Apertur von 35 mm festgelegt. Zum anderen wurde die Steady State Simulation in CST diskutiert und festgestellt, dass unter zur Hilfenahme eines Histogramms die maximal erreichte Temperatur einer CH-Kavität aufgrund von Simulationsartefakten in einigen Fällen etwas höher ausgegeben wird als es eigentlich im Mesh hinterlegt ist. Weiterhin wird der Einfluss der Anzahl an Stützen pro Meter an aufsummierter βλ/2-Länge über alle Gaps einer Kavität untersucht. Die Variation der Stützendichte hängt ebenfalls mit einer Variation von β einer CH-Kavität zusammen, bezieht darüber hinaus allerdings noch die Resonanzfrequenz und den Einfluss der restlichen CH-Kavität-Bauteile in die Analyse mit ein. Eine höhere Stützendichte führt zu einer effizienteren CH-Kavität mit einer größeren Shuntimpedanz, welche ebenfalls einen stabileren Betrieb ermöglicht, während bei sehr niedrigen Stützendichte die Temperatur an den Stützen die Kühlungsfähigkeit der Kavität bei entsprechenden Beschleunigungsgradienten übersteigt. Als Letztes wurde die Begrenzung der Gap-Länge innerhalb einer CH-Kavität diskutiert, mit dem Ergebnis, dass die Effekte für die HF-Eigenschaften einer CH-Kavität neutral bis positiv sind, allerdings noch der Einfluss auf die Strahldynamik untersucht werden muss. Das HBS-Design wurde im Kühldesign optimiert, indem die Geometrie um und an den Stützen angepasst wurde und als Resultat die maximal erreichte Temperatur innerhalb der Kavität wesentlich reduziert werden konnte. Die Feldeigenschaften der CH-Kavitäten wurden optimiert, indem das elektrische Peakfeld und der Kilpatrick Faktor um ca. 10 % reduziert wurden. Um das zu erreichen, wurden die Abrundungen der Driftröhren verändert. Die Konstruktionseigenschaften wurden optimiert, indem ein Konzept entwickelt wurde, das den Produktionsaufwand der Stützen reduziert. Dabei werden zwei Arten von Stützen für alle Kavitäten konstruiert, was die Kosten der einzelnen Kavitäten senkt, jedoch die Shuntimpedanz negativ beeinflusst. Für CH-Kavitäten mit einer Tanklänge von mehr als 1 m wurde die Frequenzanpassungsmöglichkeiten durch unter anderem die Option, vier Tauchkolben zu installieren, optimiert.