Zusammenfassung 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

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... riablen 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 stand 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 6 2 6 4 6 6 6 8 7 0 7 2 E n e r g i e [ M e V ] 0 2 0 4 0 6 0 C u p s t r o m [ n A ] 6 2 6 4 6 6 6 8 7 0 7 2 E n e r g i e [ M e V ] 0 2 0 4 0 6 0 C u p s t r o m [ n A ] Beschleunigter bzw. abgebremster gepulster Ionenstrahl 16 O 5+ 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 Driftröhrenstruktur zu. Es ist vorgesehen, bis zur Fertigstellung von MAFF, den schon gebauten Prototyp als 9-Spalt-Resonator in zwei einfach umzubauende Versionen beim REX-ISOLDE-Projekt 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 guteÜbereinstimmung 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. Summary At the new reactor "Forschungsreaktor München II" (FRM II) the Munich accelerator for fission fragments (MAFF) is under development. Goals of this project are the production of stable new heavy elements (Z > 100) and experiments concerning the nuclear structure of neutronrich fission fragments and the astrophysical r-process. The LINAC of MAFF consists of a RFQ, a boostersection of 3 acclerator tanks and an energy variable section of 2 identical 7-gap resonators. By switching the third accelerator tank on or off, the fission fragments will be injected into the 7-gap section with one of two distinct energies (4.15 and 5.40 MeV/u respectivly). By post acceleration or post deceleration a range of final energies between 3.7 and 5.9 MeV/u are aimed to be covered. All components of the LINAC are laid out as IH-resonators. This thesis is about the development and the construction of the 7-gap resonators. These resonators are designed for an average β=0.10 and a mass-charge relation of A/q ≤ 6.3. These will be operated at a frequency of 202.56 MHz (CERN-Frequency) and a pulsed power of max. 100 kW(duty cylcle = 1:10). Implementing these parameters into the MA-FIA code, the dimensions of a 1:1 model of the resonator were calculated. This model was used to investigate the resonator properties by varying the geometry of the model. Using the programes LINAC and LORASR, the beam dynamics were investigated. The calculations showed little emittance growth of under 5 % even for the most extreme acceleration and deceleration scenarios. Later both low level and high level measurements were performed using a power resonator to verify the calculations and to demonstrate, that the design voltage neccessary to obtain the proposed accelerations could be reached. Therefore a test beam line was assembled at the Maier-Leibnitz-Laboratory, where a 16 O 5+ ion beam of 4.15 MeV/u (DC and pulsed) was injected into the resonator. This beam was successfully decelerated and accelerated. The shuntimpedance of 120 MΩ/m, de-6 2 6 4 C o n t r o l R o o m G P S 6 0 k e V M M > 1 0 0 0 0 , H R S P o w e r S u p p l y R o o m I S O L D E H V -p l a t f o r m I S O L T R A P N I C O L E R F -S p e t r o m e t e r M I S T R A L R E X -I S O L D E T r a p L I N A C 2 . 2 M e V / u E B I S S e p a r a t o r R F Q I H 7 -g a p t a r g e t + M I N I B A L L M M = 2 4 0 0 , R a d i o a c t i v e B e a m E x p e r i m e n t a t I S O L D E ( C E R N ) s e c o n d b e a m l i n e f o r e x p e r i m e n t s Abbildung 2.1:Übersicht des ISOLDE-Aufbaus am CERN Der On-Line-Isotopen-Separator ISOLDE am CERN in Genf dient seit Ende der sechziger Jahre (1967) zur Untersuchung radioaktiver Ionen fern vom "Tal der Stabilität" (Übersicht des ISOLDE Aufbaus siehe Abbildung 2.1). Die Ionen werden mit Hilfe eines hochenergetischen Protonenstrahls durch Spallation, Fragmentierung und Spaltung in einem Target produziert. Anfangs wurde ein 600 MeV Protonen Synchrozyclotron (SC) als Treiber-Beschleuniger eingesetzt. Seit Fertigstellung des Protonen Synchrotron Boosters (PSB) 1992 kann durch den Beschuß dicker Targets mit 1.2 GeV Protonen im Durchschnitt ein Strom von einigen µA erreicht werden [Kl1]. Insgesamt kann der Aufbau heute bei Nutzung verschiedener Targets ca. 600 verschiedene Isotope aus 68 Elementen liefern [Le1]. Die Ionen treten bei hohen Temperaturen (Metalltargets: 700-1400 o C; Carbidtargets: 2000 o C) als neutrale Atome aus dem Target aus und werden dann an der Targetoberfläche einfach-positiv geladen. Es existieren drei Arten von Quellen: Oberflächenionisationsquellen, Plasma-Ionenquellen (Elektronenstoß, FEBIAD) und die LASER-Ionenquellen [Si1].Über die Hälfte aller Strahlen werden derzeit mit einer LASER-Ionenquelle hergestellt [Ko1]. Der Ionenstrahl wird auf 60 REX-ISOLDE P E N N I N G T r a p E B I S A / q < 4 . 5 I S O L D E b e a m 6 0 k e V H V p l a t f o r m 6 0 k V H V p l a t f o r m 2 0 -6 0 k V S e p a r a t o r ( q / A ) / ( q / A ) = 1 / 1 1 0 , 5 k e V / u 3 0 0 k e V / u R F Q R eb u n c h e r I Hs t r u c t u r e 7 -g a p r e s o n a t o r s S h u n t i m p e d a n z e n t w i c k l u n g 1 0 0 , 0 1 0 5 , 0 1 1 0 , 0 1 1 5 , 0 1 2 0 , 0 1 2 5 , 0 1 3 0 , 0 1 3 5 , 0 1 4 0 , 0 1 4 5 , 0 1 5 0 , 0 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 S e n d e r l e i s t u n g [ k W ] S h u n t i m p e d a n z [ M O h m / m ] Abbildung 6.19: Abhängigkeit der gemittelten absoluten Shuntimpedanz von der Senderleistung Der dargestellte Verlauf ergibt sich aus Mittelung der Kurven in Abbildung 6.17 und 6.18. Aus den LINAC-Rechnungen ergibt sich hier ein mittleres T 2 zwischen 0.829 und 0.832 für alle Leistungen. Die eingetragenen Fehlerbereiche ergeben sich aus der Ablesegenauigkeit der Feldstärke des Analysemagneten.