High-Temperature Superconductor Application to Undulators for Compact Free-Electron Lasers – Anwendung von Hochtemperatursupraleitern auf Undulatoren für kompakte Freie-Elektronen-Laser
Creators: name: Richter, Sebastian C.
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Undulator
High-Temperature Superconductor (HTS)
No-insulation (NI) winding
Free-Electron Laser (FEL)

description: Kurzperiodische Undulatoren mit hohen Magnetfeldamplituden sind wesentliche Komponenten für die Erzeugung von brillantem kohärentem Licht mit Wellenlängen bis in den Röntgenbereich in kompakten Lichtquellen, wie beispielsweise in Synchrotrons oder Freie-Elektronen-Lasern (FELs). Die Kompaktheit sollte mit einer kleinen Stellfläche und damit relativ niedrigen Betriebsenergien einhergehen; beides hat geringere Investitions- und Betriebskosten zur Konsequenz. Auf der anderen Seite des Energiespektrums benötigen künftige Leptonen-Collider wie CLIC oder FCC-ee Dämpfungswiggler mit hohen Magnetfeldamplituden für die Erzeugung von Strahlen mit geringer Emittanz, um die Kollisionsluminosität zu erhöhen. Der Bedarf an hohen Magnetfeldern für solche Insertion Devices (IDs) hat bereits die Weiterentwicklung von Wigglern und Undulatoren basierend auf Permanentmagneten zu supraleitenden IDs angeregt. Hier stößt der Stand der Technik Nb-Ti schon an seine Leistungsgrenzen und wird üblicherweise bei 4.2 K oder darunter betrieben, was Betrieb und Kühlung komplex und teuer macht. Daher könnten die oben beschriebenen Beschleuniger von der Verwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) wie $\textit{Re}$BCO (Seltene Erden mit Barium-Kupferoxid) profitieren: Einerseits ermöglichen HTS Magnetfeldamplituden im Bereich von 2 T oder höher für kurze Undulatorperioden von 15 mm oder kleiner mit Magnetspalten von 6 mm bei 4.2 K oder niedriger; dies kann auch auf längere Wigglerperioden, wie z.B. 50 mm, skaliert werden. Andererseits wird durch größere Temperaturspannen der Betrieb bei höheren Temperaturen wie 20 K oder höher möglich, was die kryogenen Anforderungen lockern und somit die Kosten senken kann. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Anwendung von $\textit{Re}$BCO in Form von beschichteten bandförmigen Supraleitern für den Bau von supraleitenden Undulatoren für kompakte FELs für die drei gängigsten Spulengeometrien (vertikale und horizontale Renn-bahnen, sowie ein helischer Undulator) untersucht. Der Parameterraum wurde in Bezug auf die Undulatorperiodenlänge $\lambda_\text{u}$, die Amplitude der magnetischen Flussdichte und den Undulatorspalt mittels elektromagnetischen Berechnungen untersucht. Dabei ergab sich ein Betriebsbereich von $\lambda_\text{u} \leq $ 20 mm, in welchem die Anwendung von $\textit{Re}$BCO der derzeitigen Nb-Ti-Technologie signifikant überlegen sein kann. Infolgedessen wurden modulare Spulenmodelle für alle drei Geometrien mit einem $\lambda_\text{u}$ von 13 mm entworfen und ihre elektromagnetische Leistung sowie mechanische Strapazierfähigkeit untersucht. Um die hohen technischen Stromdichten von 2 kA/mm$^2$ oder mehr zu handhaben, wurde der Ansatz einer nicht isolierten (NI) Wicklung gewählt. In der Folge wird in dieser Dissertation das technische Design einer vertikalen Rennbahn-(VR-)spule und das nach Wissensstand des Autors allererste Design eines mit HTS Band gewickelten helischen Undulators präsentiert. Wichtige Eigenschaften von beschichteten $\textit{Re}$BCO-Supraleiterbänder für die Spulenherstellung wurden durch Biege- und Heizexperimente sowie Messungen von kritischen Strömen in Eigenfeldern und externen Feldern bei 77 K analysiert. Darüber hinaus wurden Wickel- und Verbindungstechniken für die Spulenherstellung entwickelt. Drei VR-Prototypspulen wurden gefertigt und erfolgreich bei 77 K in Flüssigstickstoff bestromt, wobei die Machbarkeit und Stabilität des NI-Spulendesigns durch den Betrieb mit bis zu 300% des kritischen Stroms nachgewiesen wurde. Bestromungstests von zwei VR-Spulen bei 4.2 K zeigten einen sicheren Betrieb bei hohen technischen Stromdichten von 2.3 kA/mm$^2$ und erzeugten Magnetfelder von bis zu 1.5 T in 3.5 mm Distanz zu den magnetischen Eisenpolen. Die Stabilität der getesteten VR-Spulen wurde nochmals durch den Betrieb bei und jenseits von 3.6 kA/mm$^2$ mit erzeugten Magnetfeldern im Bereich von 2 T aufgezeigt. Darüber hinaus wurde der allererste helische HTS Undulator-Demonstrator basierend auf Wicklungen mit beschichteten $\textit{Re}$BCO-Supraleiterbändern in Form eines Kurzmodells mit fünf Perioden gefertigt. Die ersten Bestromungstests bei 77 K haben das Prinzip und die Machbarkeit dieses extrem kompakten und hochfeldfähigen Undulators erfolgreich bewiesen. Zusammenfassend wurde das Potential von HTS für supraleitende Undulatoren erfolgreich demonstriert, ebenso wie die Machbarkeit, solche Designs mit modularen Spulen zu bauen und zu betreiben.