Untersuchungen an niederenergetischen, intensiven und hochbrillanten Protonenstrahlen

Zur vollständigen Charakterisierung der Hochstrom-Protonenquelle im Rahmen des FRANZ-Projektes war es notwendig, die Emittanz dieser zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung zweier unterschie
Zur vollständigen Charakterisierung der Hochstrom-Protonenquelle im Rahmen des FRANZ-Projektes war es notwendig, die Emittanz dieser zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung zweier unterschiedlicher Emittanz-Messsysteme, welche in der Lage sind, im kritischen Einsatzbereich hinter der Ionenquelle die Emittanz zu bestimmen.
Die grundsätzliche Problematik der Emittanzmessung an Hochstrom-Ionenquellen liegt in den besonderen Anforderungen, die an diese Messsysteme gestellt werden. Zum einen müssen diese extrem hohe Strahlleistungsdichten und Strahlströme verarbeiten können, ohne Schaden zu nehmen. Zum anderen, was die besondere Herausforderung darstellt, ist es notwendig, dass sie unempfindlich gegenüber Hochspannungsüberschläge sind, da es naturgemäß an einer Ionenquelle zu Hochspannungsüberschlägen kommen kann, welche die sensible und teure Messelektronik schädigen können.
Aus diesem Grund wurde eine Pepperpot-Emittanz-Messanlage weiterentwickelt, welche komplett ohne hochspannungsempfindliche Elektronik auskommt. Diese besteht aus einem effizient wassergekühlten Messkopf mit einer Lochblende aus einer Wolframlegierung. Die Lochgeometrie wurde an die zu vermessende Ionenquelle angepasst. Anstelle einer Multichannelplate und / oder eines Leuchtschirms kommt eine mit Öl vorbehandelte Aluminiumplatte als Schirm zum Einsatz. Aufgrund der Wechselwirkung der, durch die Lochblende hindurch driftenden, Teilstrahlen mit der Oberfläche des Schirms, bilden sich auf diesem, mit bloÿem Auge sichtbare, Kohlenstoffabdrücke aus. Aus der Lage im Ortsraum und der Intensitätsverteilung der einzelnen Abdrücke kann die Phasenraum-Verteilung berechnet werden. Der Nachweis, dass die Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke proportional zur Strahlstromdichtenverteilung eines jeden Abdrucks ist, wurde im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen erbracht. Parallel wurde eine zweite, konventionelle Schlitz-Gitter-Emittanz-Messanlage entwickelt und aufgebaut.
Für die Auswertung der Rohdaten wurde eine Analysesoftware entwickelt, welche kompatibel zu beiden Messsystemen ist. Mittels dieser kann aus den Rohdaten die Phasenraum-Verteilung, die Emittanzen (Lage und Fläche) berechnet und in verschiedenen Schnittebenen graphisch dargestellt werden. Ein Hauptaspekt lag in der notwendigen Untergrundreduktion. Insbesondere bei der Analyse der Pepperpot-Schirme tritt bei der Digitalisierung derselben eine nicht physikalische Veränderung der Intensitätsverteilung der Kohlenstoffabdrücke auf. Die erfolgreiche Separation der Abdrücke vom Hintergrund war von entscheidender Bedeutung.
Mit beiden Emittanzmesssystemen konnte im Rahmen dieser Arbeit die Emittanz der FRANZ-Hochstrom-Protonenquelle bestimmt und Abhängigkeiten diverser Strahlparameter untersucht werden. Dabei zeigen die Ergebnisse beider Messsysteme eine sehr gute Übereinstimmung, was die Leistungsfähigkeit des Pepperpot-Messsystems in diesem Einsatzbereich bestätigt.
Für die Erzeugung der, im Rahmen verschiedener Emittanzmessungen, benötigten Plasmadichten wurde die eingespeiste Bogenleistung um 265% von 2.85kW auf 7.56kW erhöht. Die geringe Varianz der gemessenen Emittanzen lässt den Schluss zu, dass sich die Ionentemperatur im Rahmen der Messgenauigkeit in dem untersuchten Bereich nicht merklich ändert. Dies ist insofern bemerkenswert, da dies bedeutet, dass sich die Ionentemperatur nicht signifikant verändert hat, obwohl die Leistung im Plasma stark erhöht wurde.
Im Laufe der Grundlagenuntersuchungen des Pepperpot-Systems wurde festgestellt, dass es unter bestimmten Voraussetzungen zur Bildung von zwei Kohlenstoffabdrücken pro Blendenloch kommen kann. Mit Hilfe von Strahlsimulationen mittels dem Code IGUN sowie vergleichenden Emittanzmessungen konnte nachgewiesen werden, dass bei der Extraktion im sogenannten angepassten Fall zwei Teilstrahlen extrahiert werden. Durch eine geringfügige Erhöhung der Perveanz können diese beiden Teilstrahlen in einen laminaren Ionenstrahl überführt werden.
Im Hinblick auf die Konditionierung der FRANZ-LEBT wurde erstmals im Institut der Transport eines Hochstrom-Ionenstrahls durch einen Solenoiden sowie die Auswirkungen dessen auf die Strahlemittanz untersucht. Aufgrund des projektierten Protonenstroms von Ip = 50mA wurden diese Untersuchungen mit einem vergleichbaren Protonenstrom und einer Strahlenergie von E = 55keV durchgeführt.
Darüber hinaus wurde die zeitliche Entwicklung der Emittanz innerhalb eines Strahlpulses (80Hz,1ms,Ip = 56mA,It = 70mA) hinter dem Solenoiden untersucht. Eine Analyse zeigt, dass die Strahlemittanz innerhalb der Messgenauigkeit entlang des Pulsplateus nahezu konstant bleibt. Jedoch ändert sich die Divergenz des Strahlkerns innerhalb des Zeitraumes des Pulsanstiegs, aufgrund der Raumladungskompensation sowie des ansteigenden Stroms.
show moreshow less

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

    Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Batu Klump
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-413588
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Ulrich Ratzinger, Joachim Jacoby
Advisor:Klaus Volk, Ulrich Ratzinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/08/05
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2016/07/21
Release Date:2016/08/05
Tag:Emittanz; FRANZ-Projekt; Ionenquelle; Pepperpot; Schlitz-Gitter
Pagenumber:181
HeBIS PPN:385603436
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $