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Teilchenbeschleuniger

Die Goethe Universität in Frankfurt, MedAustron in Wien oder das Brookhaven National Laboratory im Staat New York liegen geographisch weit auseinander. Technisch haben sie eines gemeinsam – sie nutzen Teilchenbeschleuniger der Kreß GmbH. Die RFQ-Beschleuniger von Kreß sind weltweit im Einsatz.

Kompakt, mehr Leistung, mehr Flexibilität – RFQ-Beschleuniger von Kreß

RFQ-Beschleuniger

Ein RFQ-Beschleuniger (Radio Frequenz Quadrupol) ist eine besondere Art von Teilchenbeschleuniger der für die Beschleunigung von Teilchen mit niedrigen Geschwindigkeiten und in der Regel hinter einer Ionenquelle eingesetzt wird. Die RFQ Hochfrequenzstruktur hat drei wesentliche Funktionen: Sie übernimmt die transversale und longitudinale Fokussierung und dient der HF-Beschleunigung.

Kreß entwickelt und fertigt in erster Linie 4-Rod-RFQ-Beschleuniger (RFQ = Radio Frequenz Quadrupol). Diese von Professor Dr. A. Schempp an der Universität Frankfurt entwickelten Anlagen bieten einen besonderen Vorteil: Sie sind erheblich kostengünstiger als konventionelle 4-Vane-RFQ bei höherer Flexibilität. So erlauben die 4-Rod-RFQs zum einen eine Abstimmung der Hochfrequenz während des Betriebs. Zum anderen sind die modulierten Elektroden austauschbar.

Neue RFQ-Beschleuniger: höhere Strahlströme und kompakte Geometrie

In den letzten Jahren hat die Kreß GmbH gemeinsam mit der Goethe Universität Frankfurt mehrere RFQ Beschleuniger entwickelt und gefertigt. Diese ersetzen zunehmend die älteren Hochspannungsinjektoren, da sie höhere Strahlströme zulassen. Gleichzeitig weisen die Maschinen eine kompaktere Geometrie auf. In der Medizintechnik, insbesondere bei der Tumortherapie mit Ionen, werden seit einigen Jahren vermehrt RFQ-Beschleuniger mit nachgeschalteten IH-Beschleunigern eingesetzt. In Heidelberg, Marburg, Shanghai, Mailand und in der Wiener Neustadt sind jüngst große Therapiezentren für die Tumortherapie mit Ionen entstanden.

Verbesserte RFQ-Beschleuniger für das Therapiezentrum MedAustron

Für das Therapiezentrum MedAustron in der Wiener Neustadt hat Kreß in Zusammenarbeit mit der Universität Frankfurt ein neues RFQ-Konzept entwickelt. Diese weiterentwickelten RFQs verfügen über einen rechteckigen Querschnitt und sind modular aufgebaut. Nach einmaliger Montage müssen die Elektroden nicht mehr justiert werden. Ein weiterer Vorteil: Das sehr kritische Bunchersystem wurde aus dem RFQ-Resonator entfernt und hinter den RFQ-Tank verlagert.

Innovative 4-Rod-RFQ von Kreß

Viele Ideen von Kreß haben sich in den letzten Jahren durchgesetzt. Der erste 4-Rod-RFQ mit einem komplett aus Aluminium gefertigten Tank besticht durch eine ausgezeichnete Wärmeleitung und sehr gute Vakuumeigenschaften. Gelungen ist das, durch die Fertigung aus einem einzigen gefrästen Aluminiumblock. Weiterhin wurde das gesamte Kühlkonzept der Beschleunigerstruktur verbessert und eine innovative Befestigung der Tuningplatten an den Elektrodenstützen etabliert. Dieses System genießt urheberrechtlichen Schutz.

Schottky Resonator

Ein resonanter Schottky Resonator wurde entsprechend dem Design vom Helmholtzzentrum GSI in Darmstadt gefertigt. Die weiterführenden Vakuumtests wurden erfolgreich im GSI Labor durchgeführt, so dass die weiteren Hochfrequenztests durchgeführt werden konnten. Dieser besondere Schottky Detektor stellt einen Resonator Typ dar, der eine hohe Sensitivität bei seinen Eigenfrequenzen aufweist. Daher ist er für den Einsatz bei niedrigen Vakuum im Speicherring geeignet. Es ist geplant diesen Resonator im Experimental Speicherring ESR einzusetzen. Das Design für diesen resonanten Schottky Resonator stammt von Dr. Shahab Sanjari, GSI.

Kunde

  • Helmholtz Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI, Darmstadt

Besonderheiten

  • Elektronenstrahl Schweißen
  • Elektropolierte Oberflächen Wasserstoffarm Glühen im Vakuumofen bei 1050 °C
  • Ausheizen bis 300 °C mit maßgeschneiderten Heizmanschette

Schottky Resonator

Hochfrequenz Einkopplung (HPC)

Eine Hochleistungs HF-Einkopplung ist eine fundamentale Komponente mit der die Hochfrequenzleistung vom HF-Sender über die HF-Leitung in den Teilchenbeschleuniger eingekoppelt wird. Zusätzlich ist sie die Vakuumbarriere zwischen HF-leitung und der Beschleunigerkavität.

Kunde

  • Michigan State University, East Lansing; USA

Hochfrequenz Einkopplung

Eichresonatoren

Eichresonatoren sind Hohlraumresonatoren, deren Resonanzfrequenz sich aus den geometrischen Daten berechnen lassen. Sie werden zur Eichung, bzw. Bestimmung der Störkörperkonstante von kleinen Kugeln oder Röhrchen aus Keramik verwendet. Mit diesen geeichten Störkörpern kann dann die Feldverteilung eines in einer Beamline eigesetzten Hochfrequenzresonators genau bestimmt werden. Für die GSI in Darmstadt wurden drei Eichresonatoren mit elliptischen, rechteckigem und rundem Querschnitt hergestellt. Bei der Herstellung ist besonders auf die Einhaltung der mechanischen Toleranzen von 0,01mm und die Oberflächenrauigkeit von Rz<2µ zu achten.

Kunden

  • Helmholtz Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI, Darmstadt

Besonderheiten

  • Grundkörper aus einem Aluminiumblock gefräst
  • Oberflächenrauigkeit nach Bearbeitung Rz < 2µm
  • Maßhaltigkeit <0,01 mm
  • Guter elektrischer Kontakt zwischen Grundkörper und Deckel

Daten (Geometrien)

  • Elliptischer Resonator
  • Rechteckiger Resonator
  • Runder Resonator
Eichresonatoren

HF-Tuner

HF-Tuner oder Tauchkolben sind sehr präzise motorgetriebene UHV-Lineardurchführungen, die bei Beschleunigern zur Kompensation der thermischen Frequenzverschiebung beim Betrieb mit Hochfrequenzleistung verwendet werden.

Diese Lineardurchführungen besitzen ein Potentiometer zum Auslesen der exakten Position des Kolbens in der Vakuumkammer, einen kundenspezifischen Schrittmotor oder DC-Motor, einen Membranbalg und Endschalter. Der Antrieb erfolgt über eine Trapez-Gewindespindel.

Kunden

  • Produkt für verschiedene Kunden

Daten

  • Mechanischer Hub: Maximal 250 mm
  • Montageflansch: DN 63CF – DN 250 CF
  • Antrieb: Schrittmotor / DC-Motor (nach Kundenwunsch)
  • Positionierung: < 10µm
  • Vakuumdichtung: Membranbalg
  • Ausheizbar: Bis 150 ˚C
  • Wasserkühlung: Cu-Rohr durch Membranbalg (optional)
HF-Tuner

IH-Beschleuniger Modell

IH-Beschleuniger sind sehr effektive Driftröhrenbeschleuniger die in der Regel hinter RFQ-Beschleunigern eingesetzt werden und die Teilchen auf höhere Energien beschleunigen. Dieser IH-Beschleuniger ist ein Ausstellungsstück, das für das Institut für Theoretische Physik der Goethe Universität in Frankfurt hergestellt wurde.

Kunden

  • Institut für Theoretische Physik der Goethe Universität Frankfurt

Daten

  • Länge: 2510 mm
  • Durchmesser: 100 mm
IH-Beschleuniger Modell

325 MHz Prototyp Leiter-RFQ

Für die Beschleunigung von Protonen werden sehr oft Hochfrequenzquadrupolbeschleuniger (RFQ) eingesetzt. Bei diesem Prototyp handelt es sich um einen 4-Rod-RFQ, der hier als Leiter-RFQ ausgeführt ist.

Der Leiter-RFQ ist eine Entwicklung der Goethe Universität Frankfurt für den Protoneninjektor für das FAIR Projekt der GSI in Darmstadt.

Vorteile dieses RFQ sind die vernachlässigbaren Dipolkomponente auch bei hohen Frequenzen und die einfache und kostengünstige Herstellung im Vergleich zu einem konventionellen 4-Vane-RFQ.

Besonderheit

Der exakte Sitz der Ringe mit den daran befestigten Elektroden erfordert eine genau Bearbeitung aller Teile mit einer Genauigkeit von 1/100 mm, damit eine perfekte Passung aller Komponenten und damit ein optimaler elektrischer Kontakt erreicht wird.

Kunden

  • Institut für Angewandte Physik der Goethe Universität Frankfurt

Daten

  • Resonanzfrequenz: 325 MHz
  • Anzahl der Zellen: 11
325 MHz Prototyp Leiter-RFQ

RFQ für LANSCE Projekt am LANL

Dieser 4-Rod-RFQ wird zur Beschleunigung von Protonen im Injektor für den LANSCE Beschleuniger am Los Alamos National Laboratory (LANL) eingesetzt. Der RFQ ersetzt dort einen 40 Jahre alten Cockcroft-Walton Beschleuniger. Die Berechnungen der Hochfrequenzfelder, der Strahldynamik und der thermischen Belastungen wurden von der Goethe Universität und LANL durchgeführt. Das mechanische Design und die CAD-Konstruktion wurden in unserem Hause in enger Zusammenarbeit mit den beiden Instituten durchgeführt. Der RFQ-Beschleuniger wurde komplett in unserer Werkstatt gefertigt. Die Ausführung aller Fertigungsschritte in nur einer Fertigung garantiert den geforderten hohen Qualitätsstandard.

Die galvanische Verkupferung des Edelstahltanks wurde von dem dafür qualifizierten Fachbetrieb Galvano-T durchgeführt.

Kunden

  • Los Alamos National Laboratory, USA

Daten

  • Resonanzfrequenz: 201,25 MHz
  • Teilchenenergie: 35 – 750 MeV/u
  • Elektrodenspannung: 50 kV
  • Länge: 2000 mm
  • Querschnitt: 400 x 420 mm
RFQ für LANSCE Projekt am LANL

RFQ-Beschleuniger für MedAustron (Medizinanwendung)

In den letzten Jahren hat die Tumortherapie mit Protonen und Kohlenstoffionen in der Medizin immer mehr an Bedeutung gewonnen. Für die in der Wiener Neustadt entstandene Anlage „MedAustron“ wurde dieser RFQ-Beschleuniger neu entwickelt und gebaut.

Der Beschleuniger hat einen rechteckigen Querschnitt und besteht aus drei Grundelementen (Grundplatte, Rahmen und Deckel). Dieser Aufbau ermöglicht eine einfache und schnelle Montage der Teile. Die Beschleunigerstruktur ist komplett auf der Basisplatte aufgebaut und macht eine nachträgliche Justage nach dem Zusammenbau überflüssig.

Kunden

  • MedAustron Wien, im Auftrag der Goethe Universität Frankfurt

Daten

  • Resonanzfrequenz: 216,8 MHz
  • Teilchenenergie: 8 – 400 keV/u
  • Elektrodenspannung: 70 kV
  • Abmessungen (LxBxH): 1330 mm x 420 mm x 380 mm
RFQ-Beschleuniger für MedAustron (Medizinanwendung)

Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Teilchenbeschleuniger / MSU

Dieser RFQ Beschleuniger ist der erste „4-Rod Typ-RFQ“ mit rechteckigem Querschnitt, der aus einem Aluminiumblock gefräst ist. Die Beschleunigerstruktur selbst (Elektroden, Elektroden-stützen und Tuningplatten) besteht aus OFHC-Kupfer.

Alle Normflansche sind Conflat (CF) Flansche. Durch ein neuartiges Konzept zur Befestigung der Elektroden und der Elektrodenstützen ist eine Justage der Elektroden nicht mehr erforderlich. Ebenso entfällt das zeit- und kostenintensive galvanische Verkupfern der Tankinnenflächen.

Kunden

  • Michigan State University MSU, USA, im Auftrag der Goethe Universität Frankfurt

Daten

  • Resonanzfrequenz: 80,5 MHz
  • Teilchenenergie: 12 – 600 keV/u
  • Elektrodenspannung: 86,2 kV
  • Abmessungen (LxBxH): 3500 mm x 500 mm x 500 mm
Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Teilchenbeschleuniger / MSU

ECU (Energy Correcting Unit) für LANSCE RFQ am LANL

Dieser Spiralresonator ist direkt am Strahlausgang des RFQ-Protonenbeschleunigers am Los Alamos National Laboratory (LANL) montiert. Die Strahlenergie von 750 keV/u am Ausgang des RFQ-Beschleunigers kann damit sehr genau an den nachfolgenden Beschleuniger angepasst werden. Die dafür benötigte Hochfrequenzleistung wird aus dem RFQ-Beschleuniger ausgekoppelt und in den Spiralresonator eingespeist.

Der Resonator ist aus einem Block aus Aluminium gefertigt, das eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit garantiert. Die Spirale und die beiden Driftröhren sind aus SF-Cu.

Der Bildschirm des Network Analyzer zeigt die Resonanzfrequenz von 201,25 MHz und eine reflektierte HF-Leistung kleiner als -40 db. Weiterhin kann man die belastete Resonatorgüte und die Dämpfung der HF-Auskoppelsonde ablesen.

Kunden

  • Los Alamos National Laboratory, USA

Daten

  • Länge: 150 mm
  • Durchmesser: 200 mm (innen) / 300 mm (außen)
  • Resonanzfrequenz: 201,25 MHz
  • Unbelastete Güte Q0: ≈2560
ECU (Energy Correcting Unit) für LANSCE RFQ am LANL

RFQ-NICA Projekt Dubna

Dieser 4-ROD-RFQ ist ein konventioneller RFQ-Beschleuniger, bei dem sich die Beschleunigerstruktur in einem zylindrischen Tank befindet. Der Zugang zur Beschleunigerstruktur erfolgt über einen langen abnehmbaren Deckel.

Der RFQ wurde von der BEVATECH OHG in Frankfurt für den die Nuclotron-based-Ion Collider facility (NICA) in Dubna, Russland entwickelt und von der Kreß GmbH gefertigt.

Kunden

  • Bevatech OHG, Frankfurt Main

Daten

  • Resonanzfrequenz: 100,625 MHz
  • Teilchenenergie: 17 – 300 keV/u
  • Elektrodenspannung: 80 kV
  • Länge: 3160 mm
  • Durchmesser: 450 mm
RFQ-NICA Projekt Dubna

Spiralresonator-Bunchertank

Spiralresonatoren eigenen sich ausgezeichnet als Buncherresonatoren, z.B. nach einem RFQ-Beschleuniger. Der Buncher hat die Aufgabe, den vom RFQ kommenden Teilchenstrahl longitudinal zu komprimieren bevor er in eine weitere Beschleunigerstruktur eingeschossen wird. Diese longitudinale Fokussierung ist erforderlich, damit möglichst viele Ionen eines Teilchenpulses von dem nachfolgenden Beschleuniger akzeptiert werden.

Der Tank dieses Spiralresonators ist komplett aus einem Block Aluminium gefertigt. Alle Flansche sind CF-Normflansche aus Edelstahl. Die Beschleunigerstruktur und die Driftröhren sind aus SF-Cu gefertigt. Durch die Verwendung von Aluminium kann hier auf eine kosten- und zeitintensive galvanische Verkupferung des Tanks verzichtet werden.

Kunden

  • Brookhaven National Laboratory (BNL), USA, im Auftrag der Goethe Universität Frankfurt

Daten

  • Resonanzfrequenz: 100,6 MHz
  • Länge: 200 mm
  • Durchmesser: 500 mm
RFQ-NICA Projekt Dubna