High-Temperature Superconductor Application to Undulators for Compact Free-Electron Lasers – Anwendung von Hochtemperatursupraleitern auf Undulatoren für kompakte Freie-Elektronen-Laser

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. ... mehrDer 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.

Short-period high-field undulators are essential components for the production of brilliant coherent light up to X-rays in compact light sources, e.g. synchrotrons or free-electron lasers (FELs). The compactness should come with a small footprint and thus lower costs, having to operate at lower energies. On the other side of the energy spectrum, future lepton colliders like CLIC or FCC-ee demand high-field damping wigglers for the production of low-emittance beams in order to increase the collision luminosity. The requirement of high magnetic fields for such insertion devices (IDs) already stimulated further development from permanent magnet wigglers and undulators to superconducting IDs. ... mehrHere, the state-of-the-art technology Nb-Ti already reached its performance limits and is commonly operated at 4.2 K or lower, making its operation and cooling complex and expensive.
Therefore, the above-described accelerators may benefit from the application of high-temperature superconductors (HTS), like $\textit{Re}$BCO (rare-earth barium copper oxide):
On the one hand, HTS makes magnetic field amplitudes in the range of 2 T or higher feasible for short undulator periods of 15 mm or smaller with magnetic gaps of 6 mm at 4.2 K or lower; this may also scale up to longer wiggler periods like 50 mm. On the other hand, larger temperature margins will make operations at higher temperatures like 20 K or higher achievable, which may relax cryogenic requirements and thus reduce costs.
Within the scope of this thesis, the application of $\textit{Re}$BCO in the form of coated superconducting tape to superconducting undulators for compact FELs was investigated for the three most common coil geometries (vertical and horizontal racetracks as well as a helical undulator). The parameter space in terms of the undulator period length $\lambda_\text{u}$, the magnetic flux density amplitude, and the magnetic gap was studied by means of electro-magnetic calculations. This revealed an operation range of $\lambda_\text{u} \leq $ 20 mm, where the application of $\textit{Re}$BCO may be significantly superior to the current Nb-Ti technology. Consequently, modular coil models for all three geometries were designed with a $\lambda_\text{u}$ of 13 mm and studied for their electro-magnetic performance and mechanical durability. To deal with the high engineering current densities of 2 kA/mm$^2$ or more, a non-insulated (NI) winding approach was chosen. Subsequently, this thesis presents the technical design of a vertical racetrack (VR) coil and the very first design of a helical undulator wound with HTS tape, to the author's knowledge.
Important characteristics of coated $\textit{Re}$BCO superconducting tapes for coil manufacturing were analyzed by bending and heating experiments as well as critical current measurements in the self-field and external field at 77 K. Furthermore, winding and splicing techniques were developed for coil manufacturing. Three VR prototype coils were manufactured and powered successfully at 77 K in liquid nitrogen, proving the feasibility and stability of the NI coil design, by operations with up to 300% of the critical current.
Powering tests of two VR coils at 4.2 K showed safe operations at high engineering current densities of 2.3 kA/mm$^2$ and generated magnetic fields of up to 1.5 T at a 3.5 mm distance from the magnetic iron poles. The stability of the tested VR coils was once more demonstrated by operations beyond 3.6 kA/mm$^2$ with produced magnetic fields in the region of 2 T. Furthermore, the very first HTS helical undulator demonstrator was manufactured as a five-period short model wound with $Re$BCO superconducting tape.
The first powering tests at 77 K successfully proved the principle of this extremely compact and high-field undulator design.
In summary, the potential of HTS for superconducting undulators has been demonstrated successfully as well as the feasibility to build and operate such designs with modular coils.