Study of the Micro Oven at the Linac3 Heavy Ion Source

Abstract

This work presents a study of the micro oven that is used for the lead evaporation at the heavy ion source GTS-LHC of the linear accelerator Linac3 at CERN. The heating power of the oven is one of the main tuning parameters at the ion source and so far the choice of the heating power is solely based on operator experience. Sudden drops of the source current regularly require not foreseen modifications of the heating power. Additionally during normal operation it could so far not be achieved that the complete lead sample contained in the crucible of the oven is consumed before the decrease of the ion current delivered from the ion source made a refill of the oven necessary. As the refills are causing downtime of the heavy ion source an extension of the oven runtime until the complete lead sample is consumed is desirable. The study includes thermal and gas flow simulations as well as measurements at a test stand. In a series of measurements the oven was operated in different conditions to characterize its behaviour. Instabilities of the evaporation rate could be documented and reasons for these instabilities were found. Additionally the formation of a blockage was studied that was observed in a similar form at the heavy ion source. By changing the oven setup the evaporation rate could be stabilized at the test stand. Also the formation of the blockage could be completely prevented. Without the blockage formation the oven could then be operated until the crucible was completely empty. From the result of the study recommendations for a change of the oven setup at the heavy ion source of Linac3 can be deduced.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Studie des Mikro-Ofens zur Verdampfung von Blei an der Schwerionenquelle GTS-LHC des Linearbeschleunigers Linac3 am CERN vorgestellt. Die Heizleistung des Ofens ist einer der Hauptparameter für das Tuning an der Ionenquelle und bisher beruht die Wahl der Heizleistungausschließlich auf der Erfahrung des Quellenoperateurs. Plötzliches Absinken des Ionenstroms der Ionenquelle verlangt außerdem häufig nicht planbare Variationen der Heizleistung. Zusätzlich konnte im Regelbetrieb nicht erreicht werden, dass die gesamte Bleifüllung im Tiegel des Ofens aufgebraucht wird, bevor eine Verringerung des Quellenstroms eine Neubefüllung nötig macht. Da die Neubefüllung eine Ausfallzeit für die Quelle darstellt, ist eine Verlängerung des Ofenbetriebs bis zum vollständigen Aufbrauchen der Bleifüllung wünschenswert. Die Studie beinhaltet thermische und Gasflusssimulationen sowie Messungen an einem Teststand. In einer Reihe von Messungen wurde der Ofen in unterschiedlichen Bedingungen betrieben um sein Verhalten zu charakterisieren. Instabilitäten der Verdampfungsrate konnten so dokumentiert und Gründe für deren Auftreten gefunden werden. Außerdem wurde das Entstehen einer Blockade untersucht, die in ähnlicher Form auch an der Schwerionenquelle beobachtet wurde. Durch Veränderungen des Ofenaufbaus konnten am Teststand sowohl die Verdampfungsrate stabilisiert, als auch die Entstehung der Blockade vollständig verhindert werden. Ohne das Auftreten der Blockade konnte der Ofen bis zur vollständigen Entleerung des Tiegels betrieben werden. Aus den Ergebnissen der Studie ergeben sich Vorschläge für eine Veränderung des Ofenaufbaus an der Schwerionenquelle von Linac3.