Amberg, Michael: Entwicklung eines schnellen, piezobasierten Frequenztuners für supraleitende CH-Kavitäten
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Person: Amberg, Michael (Autor) 
  
Titel: Entwicklung eines schnellen, piezobasierten Frequenztuners für supraleitende CH-Kavitäten
  
Dokument:
4122.pdf (39.987 KB) PDF
Freie Schlagwörter (Deutsch): Resonator , Verstimmung , Resonanzfrequenz
Quelle: Mainz : Univ.
Erscheinungsjahr:    2015
URN: urn:nbn:de:hebis:77-41220
  
Dokumentart:
Buch Buch
Weitere Angaben zur Dokumentart:    Dissertation
Sprache: Deutsch
Open Access: OpenAccess
Einrichtung: FB 08: Physik, Mathematik und Informatik
DDC-Sachgruppe:    Physik
ID: 4122  Universitätsbibliothek Mainz
Hinweis:
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Abstract: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein schnelles, piezobasiertes Frequenztuningsystem für aktuelle sowie zukünftige supraleitende (sl) CH-Kavitäten entwickelt. Die Grundlage des hierbei verwendeten Tuningkonzepts unterscheidet sich von bisherigen, konventionellen Tuningmethoden supraleitender Kavitäten grundlegend. Zum Ausgleichen von unerwünschten Frequenzverstimmungen während des Beschleunigerbetriebes werden sogenannte bewegliche Balgtuner in das Innere der Resonatorgeometrie geschweißt. Aufgrund ihrer variablen Länge können diese die Kapazität der Kavität und somit die Resonanzfrequenz gezielt beeinflussen. Die Antriebsmechanik, die für die Auslenkung bzw. Stauchung der Balgtuner sorgt, besteht aus einer langsamen, schrittmotorbetriebenen und einer schnellen, piezobasierten Tuningeinheit, welche auf der Außenseite des Heliummantels der jeweiligen CH-Kavität installiert wird. Zur Überprüfung dieses neuartigen Tuningkonzepts wurde in der Werkstatt des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der Goethe Universität Frankfurt ein Prototyp der gesamten Tuningeinheit aus Edelstahl gefertigt. Die Funktionsweise der langsamen sowie schnellen Tuningeinheit konnten hierbei in ersten Messungen bei Raumtemperatur erfolgreich getestet werden. Somit stellt die in dieser Arbeit entwickelte Tuningeinheit eine vielversprechende Möglichkeit des dynamischen Frequenztunings supraleitender CH-Strukturen dar. rnDes Weiteren wurden im Rahmen der Arbeit mit Hilfe der Simulationsprogramme ANSYS Workbench sowie CST MicroWave Studio gekoppelte strukturmechanische und elektromagnetische Simulationen der sl 217 MHz CH sowie der sl 325 MHz CH-Kavität durchgeführt. Hierbei konnte zum einen der Frequenzbereich und somit der notwendige mechanische Hub der jeweiligen Tuningeinheit durch Bestimmung der Frequenzverstimmungen signifikant reduziert werden. Zum anderen war es möglich, die mechanische Stabilität der beiden Kavitäten zu untersuchen und somit plastische Deformationen von vornherein auszuschließen. Zur Überprüfung der Genauigkeit sämtlicher getätigter Simulationsrechnungen wurde das strukturmechanische Verhalten in Abhängigkeit äußerer Einflüsse und die daraus resultierenden Frequenzverstimmungen der CH-Kavitäten sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen von 4.2 K gemessen. Hierbei zeigten sich zum Teil hervorragende Übereinstimmungen zwischen den simulierten und gemessenen Werten mit Diskrepanzen von unter 10%. Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass die gekoppelte Simulation ein essentielles Werkzeug während der Entwicklungsphase einer supraleitenden Beschleunigungsstruktur darstellt, so dass die für den Betrieb erforderliche mechanische Stabilität einer supraleitenden Kavität erreicht werden kann. rn
   
Weiteres Abstract: In this thesis, a fast piezo-based frequency tuner for current and prospective superconducting (sc) CH-cavities has been developed. The novel tuning concept differs fundamentally from conventional tuning systems for superconducting cavities. So called dynamic bellow tuners are welded into the resonator to act against slow and fast frequency variations during operation. Because of their adjustable length it is possible to specifically influence the capacitance and therefore the resonance frequency of the cavity. To change the length of the dynamic bellow tuners the frequency tuner drive, which consists of a slow tuning device controlled by a stepper motor and a fast piezo-based tuning system, is mounted to the helium vessel of the cavity. To validate the whole tuning concept a frequency tuner drive prototype was built in the workshop of the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University. First successful room temperature measurements show that the developed frequency tuning system is an excellent and promising candidate to fulfill the requirements of slow and fast frequency tuning of sc CH-cavities during operation. rnFurthermore, several coupled structural and electromagnetic simulations of the sc 325 MHz CH-cavity as well as the sc 217 MHz CH-cavity have been performed with the simulation softwares ANSYS Workbench and CST MicroWave Studio, respectively. With these simulations it was possible to reduce the required frequency range and thus the mechanical stroke of the dynamic bellow tuners on the one hand, and on the other hand the mechanical stability of the particular CH-cavity was investigated to avoid plastic deformations due to limiting external effects. To verify the accuracy of the coupled simulations the structural mechanical behaviour and the resulting frequency variations of the sc CH-cavities dependent on the external influences were measured at room temperature as well as at cryogenic temperatures around 4.2 K. The measurement results of both investigated CH-cavities show excellent agreement with the simulated values with deviations of 10% at most. It was thus possible to show that the coupled structrual mechanical and electromagnetic simulation is an essential tool during the development phase of a superconducting cavity to ensure the required mechanical stability during operation.rn
   
  
Verfügbarkeit prüfen:    URN (urn:nbn:de:hebis:77-41220)
 


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