Untersuchungen an mehrstufigen Pseudofunkenschaltern für den Einsatz an den Kickermagneten des SIS100/300 Schwerionensynchrotrons der GSI

There is an increasing demand for reliable and fast high-voltage switches in the field of pulsed-power technology, especially in accelerator technology. Low-pressure gas discharge switches (e. g. thyratron or pseudospark switch)using only one gap are limited to voltages up to about 35 kV. Multigap thyratrons are commercially available for voltages up to 200 kV for many years. On the other hand, Multigap Pseudospark switches are still at the beginning of their development. The intention of this work was to evaluate the suitability of multigap pseudospark switches for switching the kickermagnets of the projected SIS 100/300 heavy ion synchrotron of the GSI(Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH). The requirements for these switches include a hold-off voltage of 70 kV, an ampacity of around 6 kA with pulse durations up to 7 µs. For this application a three-stage switch will be necessary. The step in development that is presented in this work is a fundamental investigation of a two-stage prototype. From the results conclusions can be drawn for the adaptabillity of the pseudospark design to the projected application. The usability of a single gap pseudospark switch as a switching device for a kickermagnet was tested with very good results. The only drawback was a slightly high forward voltage of the switch due to the low current flow of several hundred ampères. Pseudosparks typically need currents above one kiloampère to reach an optimal mode of operation. Nevertheless the voltage and current development was acceptable. The switching behaviour of a two-gap switch was examined for different external circuitry with special emphasis on the triggering of such a system. Basically, two different kinds of trigger modules were compared, the highdielectric trigger and a carbon nanotube based triggersystem. The first generation of high-dielectric triggers in Erlangen suffered from an insufficient lifetime. In this work, a new generation of these modules is presented. New and thicker materials lead to a significantly improved lifetime. The tested carbon nanotube modules provided good switching characteristic but the lifetime was limited due to the gas pressure within the switch. A commercial use of these modules is prohibited by the fast aging process. The emission of charges of all trigger modules measured by a faradaycup and by photographic measures is compared to the results obtained from the measurement of the switching characteristics. The best results have been achieved with a negative trigger pulse on the so-called trigger fingers using a high-dielectric trigger module with a 6 mm thick dielectric. The results presented in this work lead to the design of a sealed-off two stage metall-ceramic prototype built at the GSI.Im Bereich der Leistungsimpulstechnik, speziell im Bereich der Beschleunigertechnik, werden zuverlässige und schnelle Schaltsysteme für hohe Spannungen benötigt. Da einstufige Niederdruckgasentladungsschaltsysteme (z.B. das Thyratron oder der Pseudofunkenschalter) auf Spannungen von etwa 35 kV beschränkt sind, müssen mehrstufige Systeme für Hochspannungsanwendungen entwickelt werden. Während beim Thyratron mehrstufige Systeme seit vielen Jahren für Spannungen bis 200 kV kommerziell erhältlich sind, befinden sich mehrstufige Pseudofunkenschalter noch in der Anfangsphase ihrer Entwicklung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Eignung eines mehrstufigen Pseudofunkenschalters für die Anwendung als Schalter für die Kickermagneten des geplanten SIS 100/300 Schwerionensynchrotrons der GSI(Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH) untersucht. Die Anforderungen an das Schaltsystem beinhalten eine Spannungsfestigkeit bis 70 kV und eine Stromtragfähigkeit bis etwa 6 kA bei Pulsdauern im Bereich von bis zu 7 µs. Für diese Anwendung wird ein dreistufiger Schalter benötigt. Als Entwicklungsschritt auf dem Weg zu diesem Schalter wurden im Rahmen dieser Arbeit ein- und zweistufige Schalter grundlegend untersucht. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Eignung des Pseudofunkenkonzeptes für die geplante Anwendung zu. Zunächst wurde ein einstufiger Pseudofunkenschalter an einem Kickermagneten getestet um die prinzipielle Eignung dieses Schalterkonzeptes zu demonstrieren. Diese Versuche liefen abgesehen von einer hohen Brennspannung des Schalters (einige 100 V) sehr erfolgreich ab. Die hohe Brennspannung lag in einem vergleichsweise niedrigen Stromfluss (d.h. < 1 kA) während der Tests begründet. Pseudofunkenschalter funktionieren bei Strömen deutlich unter einem Kiloampère nicht optimal. Strom- und Spannungsverlauf erfüllten ansonsten die Erwartungen an den Schalter. Desweiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit das Schaltverhalten von zweistufigen Pseudofunkenschaltern mit unterschiedlicher äußerer Beschaltung untersucht und spezielles Augenmerk auf die Triggerung eines derartigen Systems gelegt. Es wurden im Wesentlichen zwei Typen von Triggermodulen verglichen, der hochdielektrische Trigger und ein auf Carbon Nanotubes basierendes Triggersystem. Dabei wurde die Frage geklärt, ob ein mehrstufiger Schalter mit nur einem Triggermodul zuverlässig geschaltet werden kann. Dies könnte mit zufriedenstellenden Ergebnissen (Delay <150 ns, Jitter <± 15 ns) bejaht werden, auch wenn bei hohen Anforderungen an das Delay des Schalters weitere, über den Rahmen dieser Arbeit hinausgehende, Entwicklungen durchzuführen sind. Während frühere hochdielektrische Triggermodule oft eine unzureichende Lebensdauer aufwiesen, wurde bei neueren, weiterentwickelten Modulen kein übermässiger Verschleiß mehr festgestellt. Die neueren Module unterscheiden sich durch die Dicke und die Zusammensetzung des dielektrischen Materials von den alten Systemen und kombinieren bessere Schalteigenschaften und eine längere Haltbarkeit. Die untersuchten Carbon Nanotube Triggermodule zeigten gute Schalteigenschaften, ihre Lebensdauer ist jedoch aufgrund des Gasdruckes im Schalter zu begrenzt, um kommerziell einsetzbar zu sein. Die Emission von Ladungsträgern der verwendeten Triggermodule wurde untersucht und mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen der Schalteigenschaften verglichen. Dabei wurde ein deutlicher Vorteil von dickeren (6 mm) dielektrischen Proben festgestellt und die ideale äußere Beschaltung als negativer Triggerpuls auf die sogenannten Triggerfinger des Triggermoduls festgestellt. Dieses Verhalten steht in gutem Einklang mit den durchgeführten Faradaycup-Messungen der Ladungsträgeremission und den photographischen Aufnahmen der verschiedenen Triggerentladungen. Auch konnte eine Ursache für die kurze Lebensdauer der ursprünglichen hochdielektrischen Triggermodule gefunden werden. Wenn die Hauptentladung auf das Triggermodul durchgreift, was sich nie ganz verhindern lässt, so resultiert dies in einen positiven Spannungspuls auf die Triggerfinger. Dieser positive Puls führt zu einer stark lokalisierten Oberflächenentladung, die die dielektrische Scheibe nach kurzer Zeit zerstört. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wurde das Design eines zweistufigen Schalterprototypen entwickelt, der in Metall-Keramik-Bauweise an der GSI in Darmstadt hergestellt wurde

Xenon excimer emission from pulsed high-pressure capillary microdischarges

Intense xenon vacuum ultraviolet (VUV) emission is observed from a high-pressure capillary cathode microdischarge in direct current operation, by superimposing a high-voltage pulse of 50 ns duration. Under stagnant gas conditions, the total VUV light intensity increases linearly with pressure from 400 to 1013 mbar for a fixed voltage pulse. At fixed pressure, however, the VUV light intensity increases superlinearly with voltage pulse height ranging from 0.8 to 2.8 kV. Gains in emission intensity are obtained by inducing gas flow through the capillary cathode, presumably because of excimer dimer survival due to gas cooling

Comparison Between the Ultraviolet Emission From Pulsed Microhollow Cathode Discharges in Xenon and Argon

We measured the dynamic I–V characteristics and vacuum ultraviolet (VUV) emission lines of the second continuum in xenon (170 nm) and argon (130.5 nm) from pulsed microhollow cathode discharges (MHCD). For pulse lengths between 1 and 100 μs the dynamic I–V characteristics are similar in both inert gases. Only the time variation of the VUV emission line at 170 nm for xenon can be related to the dimer excited states. In argon the energy transfer between the Ar*2 dimers and the oxygen impurity atoms is responsible for a qualitatively different time behavior of the resonance line at 130.5 nm. Consequently, the relative VUV efficiency reveals an inverse dependence on the electrical pulse lengths for the MHCD in xenon and argon, respectively

Investigations on Multigap Pseudospark Switches for the kicker magnets of the SIS100/300 heavy ion synchrotron (GSI)

Im Bereich der Leistungsimpulstechnik, speziell im Bereich der Beschleunigertechnik, werden zuverlässige und schnelle Schaltsysteme für hohe Spannungen benötigt. Da einstufige Niederdruckgasentladungsschaltsysteme (z.B. das Thyratron oder der Pseudofunkenschalter) auf Spannungen von etwa 35 kV beschränkt sind, müssen mehrstufige Systeme für Hochspannungsanwendungen entwickelt werden. Während beim Thyratron mehrstufige Systeme seit vielen Jahren für Spannungen bis 200 kV kommerziell erhältlich sind, befinden sich mehrstufige Pseudofunkenschalter noch in der Anfangsphase ihrer Entwicklung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Eignung eines mehrstufigen Pseudofunkenschalters für die Anwendung als Schalter für die Kickermagneten des geplanten SIS 100/300 Schwerionensynchrotrons der GSI(Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH) untersucht. Die Anforderungen an das Schaltsystem beinhalten eine Spannungsfestigkeit bis 70 kV und eine Stromtragfähigkeit bis etwa 6 kA bei Pulsdauern im Bereich von bis zu 7 µs. Für diese Anwendung wird ein dreistufiger Schalter benötigt. Als Entwicklungsschritt auf dem Weg zu diesem Schalter wurden im Rahmen dieser Arbeit ein- und zweistufige Schalter grundlegend untersucht. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Eignung des Pseudofunkenkonzeptes für die geplante Anwendung zu. Zunächst wurde ein einstufiger Pseudofunkenschalter an einem Kickermagneten getestet um die prinzipielle Eignung dieses Schalterkonzeptes zu demonstrieren. Diese Versuche liefen abgesehen von einer hohen Brennspannung des Schalters (einige 100 V) sehr erfolgreich ab. Die hohe Brennspannung lag in einem vergleichsweise niedrigen Stromfluss (d.h. < 1 kA) während der Tests begründet. Pseudofunkenschalter funktionieren bei Strömen deutlich unter einem Kiloampère nicht optimal. Strom- und Spannungsverlauf erfüllten ansonsten die Erwartungen an den Schalter. Desweiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit das Schaltverhalten von zweistufigen Pseudofunkenschaltern mit unterschiedlicher äußerer Beschaltung untersucht und spezielles Augenmerk auf die Triggerung eines derartigen Systems gelegt. Es wurden im Wesentlichen zwei Typen von Triggermodulen verglichen, der hochdielektrische Trigger und ein auf Carbon Nanotubes basierendes Triggersystem. Dabei wurde die Frage geklärt, ob ein mehrstufiger Schalter mit nur einem Triggermodul zuverlässig geschaltet werden kann. Dies könnte mit zufriedenstellenden Ergebnissen (Delay <150 ns, Jitter <± 15 ns) bejaht werden, auch wenn bei hohen Anforderungen an das Delay des Schalters weitere, über den Rahmen dieser Arbeit hinausgehende, Entwicklungen durchzuführen sind. Während frühere hochdielektrische Triggermodule oft eine unzureichende Lebensdauer aufwiesen, wurde bei neueren, weiterentwickelten Modulen kein übermässiger Verschleiß mehr festgestellt. Die neueren Module unterscheiden sich durch die Dicke und die Zusammensetzung des dielektrischen Materials von den alten Systemen und kombinieren bessere Schalteigenschaften und eine längere Haltbarkeit. Die untersuchten Carbon Nanotube Triggermodule zeigten gute Schalteigenschaften, ihre Lebensdauer ist jedoch aufgrund des Gasdruckes im Schalter zu begrenzt, um kommerziell einsetzbar zu sein. Die Emission von Ladungsträgern der verwendeten Triggermodule wurde untersucht und mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen der Schalteigenschaften verglichen. Dabei wurde ein deutlicher Vorteil von dickeren (6 mm) dielektrischen Proben festgestellt und die ideale äußere Beschaltung als negativer Triggerpuls auf die sogenannten Triggerfinger des Triggermoduls festgestellt. Dieses Verhalten steht in gutem Einklang mit den durchgeführten Faradaycup-Messungen der Ladungsträgeremission und den photographischen Aufnahmen der verschiedenen Triggerentladungen. Auch konnte eine Ursache für die kurze Lebensdauer der ursprünglichen hochdielektrischen Triggermodule gefunden werden. Wenn die Hauptentladung auf das Triggermodul durchgreift, was sich nie ganz verhindern lässt, so resultiert dies in einen positiven Spannungspuls auf die Triggerfinger. Dieser positive Puls führt zu einer stark lokalisierten Oberflächenentladung, die die dielektrische Scheibe nach kurzer Zeit zerstört. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wurde das Design eines zweistufigen Schalterprototypen entwickelt, der in Metall-Keramik-Bauweise an der GSI in Darmstadt hergestellt wurde.There is an increasing demand for reliable and fast high-voltage switches in the field of pulsed-power technology, especially in accelerator technology. Low-pressure gas discharge switches (e. g. thyratron or pseudospark switch)using only one gap are limited to voltages up to about 35 kV. Multigap thyratrons are commercially available for voltages up to 200 kV for many years. On the other hand, Multigap Pseudospark switches are still at the beginning of their development. The intention of this work was to evaluate the suitability of multigap pseudospark switches for switching the kickermagnets of the projected SIS 100/300 heavy ion synchrotron of the GSI(Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH). The requirements for these switches include a hold-off voltage of 70 kV, an ampacity of around 6 kA with pulse durations up to 7 µs. For this application a three-stage switch will be necessary. The step in development that is presented in this work is a fundamental investigation of a two-stage prototype. From the results conclusions can be drawn for the adaptabillity of the pseudospark design to the projected application. The usability of a single gap pseudospark switch as a switching device for a kickermagnet was tested with very good results. The only drawback was a slightly high forward voltage of the switch due to the low current flow of several hundred ampères. Pseudosparks typically need currents above one kiloampère to reach an optimal mode of operation. Nevertheless the voltage and current development was acceptable. The switching behaviour of a two-gap switch was examined for different external circuitry with special emphasis on the triggering of such a system. Basically, two different kinds of trigger modules were compared, the highdielectric trigger and a carbon nanotube based triggersystem. The first generation of high-dielectric triggers in Erlangen suffered from an insufficient lifetime. In this work, a new generation of these modules is presented. New and thicker materials lead to a significantly improved lifetime. The tested carbon nanotube modules provided good switching characteristic but the lifetime was limited due to the gas pressure within the switch. A commercial use of these modules is prohibited by the fast aging process. The emission of charges of all trigger modules measured by a faradaycup and by photographic measures is compared to the results obtained from the measurement of the switching characteristics. The best results have been achieved with a negative trigger pulse on the so-called trigger fingers using a high-dielectric trigger module with a 6 mm thick dielectric. The results presented in this work lead to the design of a sealed-off two stage metall-ceramic prototype built at the GSI

Technological features and status of the new heavy ions synchrotron SIS100 at FAIR

SIS100 is a new superconducting heavy ion synchrotron optimized for the acceleration of high intensity heavy ion beams. Most crucial intensity limitation for heavy ion beams in SIS100 is the dynamic vacuum and corresponding beam loss by projectile ionization. Ionization loss and ion induced desorption drive the residual gas pressure into an instability, generating an intensity barrier at much lower intensity levels than any space charge limit. Technologies for stabilizing the dynamic vacuum, such as extensive charge separator lattice, pumping by cryogenic magnet chambers, cryo-adsorption pumps and cryo-ion catchers had to be implemented. SIS100 will also be the first user synchrotron comprising a laser cooling system for cooling at relativistic beam energies. Combined with a strong bunch compression system, laser cooling will support the generation of short ion bunches. Meanwhile, a large amount of the SIS100 components have been delivered and preparations for installation are launched. The shell construction of SIS100 underground tunnel is completed. Installation of the technical building infrastructure and the cryogenic distribution system are ongoing