Microphonics Analysis of the SC 325 MHz CH-Cavity

Since the walls of superconducting (sc) cavities are kept very thin to support the cooling process, even small mechanical disturbances can detune the cavity. One of the main sources of detuning a cavity is microphonics. These low-frequent vibrations caused by vacuum pumps or underground noise are transferred to the cryostat and excite mechanical resonances of the cavity which may lead to frequency shifts larger than the bandwidth. To determine the mechanical resonance frequencies of the sc 325 MHz CH-cavity (Crossbar-H-Mode) simulations with ANSYS Workbench have been performed in a first step. Additionally, microphonics measurements were taken at room temperature as well as in a vertical cryostat at 4K in the cryo-lab of the IAP, Frankfurt University. Furthermore, the contraction of the cavity walls and the resulting frequency shift due to the cavity cool-down has been measured. A comparison between simulation results and the measured values is presented in this paper

Superconducting CH Cavities for Heavy Ion Acceleration

To demonstrate the operation ability of superconducting (sc) Crossbar-H-mode (CH) cavity technology a 217 MHz structure of this type is under development at the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University. The cavity has 15 accelerating cells and a design beta of 0.059. It will be equipped with all necessary auxiliaries like a 10 kW power coupler and a tuning system. Currently, the cavity is under construction. Furthermore, this cavity will serve as demonstrator for a sc continuous wave (cw) LINAC at GSI. The proposed cw LINAC is highly requested to fulfil the requirements of nuclear chemistry and especially for a competitive production of new Super Heavy Elements (SHE) in the future. A full performance test by injecting and accelerating a beam from the GSI High Charge Injector (HLI) is planned in 2014. The current status of the sc CH cavity and the demonstrator project is presented

R&D Status of the New Superconducting CW Heavy Ion LINAC@GSI

To keep the ambitious Super Heavy Element (SHE) physics program at GSI competitive a superconducting (sc) continuous wave (cw) high intensity heavy ion LINAC is currently under progress as a multi-stage R&D program of GSI, HIM and IAP*. The baseline linac design consists of a high performance ion source, a new low energy beam transport line, an (cw) upgraded High Charge State Injector (HLI), and a matching line (1.4 MeV/u) which is followed by the new sc-DTL LINAC for post acceleration up to 7.3 MeV/u. In the present design the new cw-heavy ion LINAC comprises constant-beta sc Crossbar-H-mode (CH) cavities operated at 217 MHz. The advantages of the proposed beam dynamics concept applying a constant beta profile are easy manufacturing with minimized costs as well as a straightforward energy variation**. An important milestone will be the full performance test of the first CH cavity (Demonstrator), in a horizontal cryo module with beam. An advanced demonstrator setup comprising a string of cavities and focussing elements is proposed to build from 10 short CH-cavities with 8 gaps. The corresponding simulations and technical layout of the new cw heavy ion LINAC will be presented

Recent Status New Superconducting CW Heavy Ion LINAC@GSI

The demonstrator is a prototype of the first section of the proposed cw-LINAC@GSI, comprising a superconducting CH-cavity embedded by two superconducting solenoids. The sc CH-structure is the key component and offers a variety of research and development. The beam focusing solenoids provide maximum fields of 9.3 T at an overall length of 380 mm and a free beam aperture of 30 mm. The magnetic induction of the fringe is minimized to 50 mT at the inner NbTi-surface of the neighboring cavity. The fabrication of the key components is still in progress and is near to completion. After cold performance testing of the RF cavity, the helium jacket will be welded on. The cryostat is partly assembled and will be finished in the next weeks. The test environment is completely prepared. Advanced emittance measurement is foreseen to prepare for best matching of the heavy ion beam from the injector. Integration of the cryostat into the beam line, the first cool down of the module and commissioning of the RF elements will be performed as next steps towards a complete testing of the demonstrator

Acceptance, Prevalence and Indications for Robot-Assisted Laparoscopy - Results of a Survey Among Urologists in Germany, Austria and Switzerland

Background: Robotic-assisted laparoscopy (RAL) is being widely accepted in the field of urology as a replacement for conventional laparoscopy (CL). Nevertheless, the process of its integration in clinical routines has been rather spontaneous. Objective: To determine the prevalence of robotic systems (RS) in urological clinics in Germany, Austria and Switzerland, the acceptance of RAL among urologists as a replacement for CL and its current use for 25 different urological indications. Materials and Methods: To elucidate the practice patterns of RAL, a survey at hospitals in Germany, Austria and Switzerland was conducted. All surgically active urology departments in Germany (303), Austria (37) and Switzerland (84) received a questionnaire with questions related to the one-year period prior to the survey. Results: The response rate was 63%. Among the participants, 43% were universities, 45% were tertiary care centres, and 8% were secondary care hospitals. A total of 60 RS (Germany 35, Austria 8, Switzerland 17) were available, and the majority (68%) were operated under public ownership. The perception of RAL and the anticipated superiority of RAL significantly differed between robotic and non-robotic surgeons. For only two urologic indications were more than 50% of the procedures performed using RAL: pyeloplasty (58%) and transperitoneal radical prostatectomy (75%). On average, 35% of robotic surgeons and only 14% of non-robotic surgeons anticipated RAL superiority in some of the 25 indications. Conclusions: This survey provides a detailed insight into RAL implementation in Germany, Austria and Switzerland. RAL is currently limited to a few urological indications with a small number of high-volume robotic centres. These results might suggest that a saturation of clinics using RS has been achieved but that the existing robotic capacities are being utilized ineffectively. The possible reasons for this finding are discussed, and certain strategies to solve these problems are offered

EUNIS Habitat Classification: Expert system, characteristic species combinations and distribution maps of European habitats

Aim: The EUNIS Habitat Classification is a widely used reference framework for European habitat types (habitats), but it lacks formal definitions of individual habitats that would enable their unequivocal identification. Our goal was to develop a tool for assigning vegetation‐plot records to the habitats of the EUNIS system, use it to classify a European vegetation‐plot database, and compile statistically‐derived characteristic species combinations and distribution maps for these habitats. Location: Europe. Methods: We developed the classification expert system EUNIS‐ESy, which contains definitions of individual EUNIS habitats based on their species composition and geographic location. Each habitat was formally defined as a formula in a computer language combining algebraic and set‐theoretic concepts with formal logical operators. We applied this expert system to classify 1,261,373 vegetation plots from the European Vegetation Archive (EVA) and other databases. Then we determined diagnostic, constant and dominant species for each habitat by calculating species‐to‐habitat fidelity and constancy (occurrence frequency) in the classified data set. Finally, we mapped the plot locations for each habitat. Results: Formal definitions were developed for 199 habitats at Level 3 of the EUNIS hierarchy, including 25 coastal, 18 wetland, 55 grassland, 43 shrubland, 46 forest and 12 man‐made habitats. The expert system classified 1,125,121 vegetation plots to these habitat groups and 73,188 to other habitats, while 63,064 plots remained unclassified or were classified to more than one habitat. Data on each habitat were summarized in factsheets containing habitat description, distribution map, corresponding syntaxa and characteristic species combination. Conclusions: EUNIS habitats were characterized for the first time in terms of their species composition and distribution, based on a classification of a European database of vegetation plots using the newly developed electronic expert system EUNIS‐ESy. The data provided and the expert system have considerable potential for future use in European nature conservation planning, monitoring and assessment

Entwicklung von normal- und supraleitenden CH-Strukturen für den 17 MeV EUROTRANS-Injektor-Linac

In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Hochfrequenzlinearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, permanent. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Aktivitäten lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Daneben existiert seit einiger Zeit eine starke Tendenz zur Entwicklung von Hochleistungslinearbeschleunigern, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die neu entwickelte CH-Struktur (Crossbar H-Mode) ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Das europäische Programm zur Transmutation radioaktiver Abfälle, EUROTRANS, basiert auf einem Hochleistungslinearbeschleuniger, der einen intensiven Protonenstrahl bereitstellt. Dieser Strahl wird auf ein Flüssigmetalltarget geleitet, wodurch Spallationsneutronen entstehen, welche die Reaktion im Reaktorkern antreiben. Hierbei spricht man von einem sogenannten beschleunigergetriebenen System (ADS). Das zugehörige Refernzdesign des Instituts für Angewandte Physik propagiert einen aus normal- und supraleitenden CH-Strukturen bestehenden Injektor für den Bereich von 5–17 MeV. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diesbezüglich zur Entwicklung von zwei normal- und vier supraleitenden CH-Kavitäten elektrodynamische Simulationsrechnungen in Bezug auf die folgenden Designkriterien durchgeführt:..

Entwicklung und Test einer supraleitenden 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt an der GSI

In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Linearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, stetig. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Anwendungen lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit die Entwicklung neuartiger, supraleitender Hochleistungslinearbeschleunigerkavitäten stark vorangetrieben, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die am Institut für Angewandte Physik der Goethe-Universität Frankfurt entwickelte CH-Kavität ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Bislang konnten in der Vergangenheit ein supraleitender 360 MHz CH-Prototyp sowie eine für hohe Leistungen optimierte supraleitende 325 MHz CH-Struktur erfolgreich bei kryogenen Temperaturen ohne Strahl getestet werden. Um die Forschung im Bereich der Kernphysik, der Kernchemie und vor allem im Bereich der superschweren Elemente auch in Zukunft weiter fortzusetzen, ist der Bau eines neuen supraleitenden, dauerstrichbetriebenen Linearbeschleunigers an der GSI geplant. Das Kernstück des zukünftigen cw-LINAC basiert auf dem Einsatz supraleitender 217 MHz CH-Kavitäten, mit deren Hilfe ein adäquater Teilchenstrahl mit maximal 7,5 MeV/u für die SHE-Synthese bereitgestellt werden soll. Auf dem Weg zur Realisierung des geplanten cw-LINACs wurde im Zuge des Demonstrator-Projektes die Umsetzung der ersten Sektion des gesamten Beschleunigers beschlossen. Der Fokus des Projektes liegt auf der Demonstration der Betriebstauglichkeit innerhalb einer realistischen Beschleunigerumgebung sowie insbesondere auf der erstmaligen Inbetriebnahme einer supraleitenden CH-Kavität mit Strahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die erste supraleitende 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt entwickelt, produziert und ihre Hochleistungseigenschaften in einem vertikalen Kryostaten bei 4,2 K getestet. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf der HF-Auslegung der Kavität, den begleitenden Tuningmaßnahmen während der Produktion sowie den ersten Leistungstests unter kryogenen Bedingungen. Weitere Schwerpunkte lagen auf der kompakten Bauweise, dem effektiven Tuning, der Oberflächenpräparation sowie auf dem Strahlbetrieb der Kavität mit einem dauerstrichfähigem 5 kW Hochleistungskoppler. Die Umsetzung der Kavität beruhte auf dem geometrischen Konzept der supraleitenden, siebenzelligen 325 MHz CH-Struktur. Ihre elektromagnetische und strukturmechanische Auslegung erfolgte mittels der Simulationsprogramme ANSYS Multiphysics und CST Studio Suite. Um während des Test- bzw. Strahlbetriebs mit der entsprechend notwendigen Kopplungsstärke die HF-Leistung in die Kavität einzuspeisen, wurden unterschiedliche Kopplerantennen für den jeweiligen Fall ausgelegt. Zum Erreichen der geforderten Zielfrequenz wurde ein Verfahren erarbeitet, welches die hierfür notwendigen Mess- und Arbeitsschritte während der einzelnen Produktionsphasen beinhaltet. Diesbezüglich wurden während der Produktion der Kavität eine Reihe von Zwischenmessungen beim Hersteller durchgeführt, um den Frequenzverlauf innerhalb der jeweiligen Fertigungsschritte entsprechend beeinflussen zu können und um vorangegangene Simulationswerte zu validieren. Alle untersuchten Parameter konnten während der Messungen in guter Übereinstimmung zu den Simulationen reproduziert und die Zielfrequenz der Kavität schließlich erreicht werden. Nach Abschluss der letzten Oberflächenpräparationen wurde die Kavität in einer neuen kryogenen Testumgebung innerhalb der Experimentierhalle des IAP für einen vertikalen Kalttest vorbereitet. Daraufhin erfolgte das Evakuieren der Kavität, das Abkühlen auf 4,2 K sowie ihre Konditionierung. Anschließend erfolgte die Bestimmung der intrinsischen Güte der Kavität. Sie betrug 1,44 x 10E9 und besitzt somit den bisher höchsten Gütewert, der jemals bei einer supraleitenden CH-Struktur erreicht wurde. Es konnte ein maximaler Beschleunigungsgradient von 7 MV/m im Dauerstrichbetrieb erreicht werden, was einer effektiven Spannung von 4,2 MV entspricht. Die zugehörigen magnetischen und elektrischen Oberflächenfelder lagen bei 39,3 mT bzw. 43,5 MV/m. Ein thermaler Zusammenbruch konnte während des gesamten Leistungstests nicht festgestellt werden, was auf eine gute thermische Eigenschaft der Kavität hindeutet. Allerdings zeigte der gemessene Verlauf ein frühes Abfallen der Güte ab 2,5 MV/m, was durch anormale Leistungsverluste aufgrund von Feldemission hervorgerufen wurde. Dies war aufgrund der unzureichenden Oberflächenbehandlung der Kavität zu erwarten, da die Hochdruckspülung aus technischen Gründen nur entlang der Strahlachse erfolgte. Dennoch konnte die Designvorgabe des geplanten cw-LINACs hinsichtlich der Güte bei 5,5 MV/m um einen Faktor 2 übertroffen werden. Die positiven Ergebnisse der Simulationsrechnungen und der Messungen zeigen, dass die Anforderungen des Demonstrator-Projekts, insbesondere hinsichtlich des benötigten Beschleunigungsgradienten, mittels der entwickelten supraleitenden 217 MHz CH-Kavität erfüllt werden. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit maßgeblich an der Umsetzung des Demonstrator-Projekts bzw. an der Realisierung des geplanten cw-LINACs beigetragen und der Weg für einen Strahlbetrieb der Kavität vorbereitet

Development of superconducting crossbar-H-mode cavities for proton and ion accelerators

The crossbar-H-mode (CH) structure is the first superconducting multicell drift tube cavity for the low and medium energy range operated in the H21 mode. Because of the large energy gain per cavity, which leads to high real estate gradients, it is an excellent candidate for the efficient acceleration in high power proton and ion accelerators with fixed velocity profile. A prototype cavity has been developed and tested successfully with a gradient of 7MV/m. A few new superconducting CH cavities with improved geometries for different high power applications are under development at present. One cavity (f=325 MHz, β=0.16, seven cells) is currently under construction and studied with respect to a possible upgrade option for the GSI UNILAC. Another cavity (f=217 MHz, β=0.059, 15 cells) is designed for a cw operated energy variable heavy ion linac application. Furthermore, the EUROTRANS project (European research program for the transmutation of high level nuclear waste in an accelerator driven system, 600 MeV protons, 352 MHz) is one of many possible applications for this kind of superconducting rf cavity. In this context a layout of the 17 MeV EUROTRANS injector containing four superconducting CH cavities was proposed by the Institute for Applied Physics (IAP) Frankfurt. The status of the cavity development related to the EUROTRANS injector is presented