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Heiko Niebuhr

• Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Erforschung eines konzeptionell neuartigen Injektionssystems zum Transport von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen. Die Forschungsarbeit ist dabei Teil des Figure-8 Speicherringprojekts (F8SR) des IAP, bei welchem es um die Erforschung der Physik und die Entwicklung eines niederenergetischen, supraleitenden, magnetostatischen Figure-8 Hochstromspeicherrings geht. Dieser neuartige Speicherring ermöglicht aufgrund des Einsatzes von fokussierenden solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern das Speichern von Strahlströmen von bis zu einigen Ampere. Diese Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten zu diesem Themenfeld auf, in welchen die Grundlagen und Ausgangsparameter für die experimentelle Untersuchung der Injektion gelegt und mit dem Aufbau des Injektionsexperiments begonnen wurde. In dieser Dissertation wird den Fragen nachgegangen, ob ein magnetisches Konzept des Injektionssystems mittels eines „Scaled-Down“-Experiments experimentell umsetzbar ist und ob mit diesem die Injektion von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen realisiert werden kann. Ziel ist es dabei, ein Injektionssystem aufzubauen, durch welches sowohl ein seitlich injizierter Injektionsstrahl, welcher den in den Speicherring zu injizierenden Strahl darstellt, als auch ein gleichzeitig durch die toroidalen Magnetfelder driftender Ringstrahl, welcher den im Speicherring zirkulierenden Strahl darstellt, ohne Verluste transportiert werden können. Das Injektionssystem besteht dabei aus drei normalleitenden Magneten, wobei es sich um zwei baugleiche 30 Grad Toroide sowie einen Solenoid handelt. Die Toroide bilden den Transportkanal für den Ringstrahl, während der Injektionssolenoid senkrecht zwischen den beiden Toroiden endet und den Injektionskanal für den Injektionsstrahl darstellt. Zunächst wurde das Injektionssystem mittels Strahltransportsimulationen untersucht und aufbauend auf den Ergebnissen die benötigen Vakuumkomponenten sowie der Injektionsmagnet ausgelegt, entwickelt und umgesetzt. Anschließend wurde mit dem fertigstellten Injektionsexperiment der Transport von zwei Ionenstrahlen durch das Injektionssystem experimentell erforscht. Dabei wurden die Strahlpfade mit einem in Entwicklung befindlichen Kameradetektorsystem aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen und das Strahlverhalten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern phänomenologisch analysiert und diskutiert, mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen sowie theoretisch bzgl. der RxB Drift und eines Gedankenmodells eingeordnet. Die technische Umsetzung, Inbetriebnahme und Durchführung verschiedener Vorabexperimente bzgl. weiterer Komponenten des Injektionsexperiments (bspw. Ionenquellen und Filterkanäle) ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Bei den experimentellen Untersuchungen mit Wasserstoff- und Heliumionenstrahlen konnte beobachtet werden, wie der Injektionsstrahl in den zweiten Toroid driftet und somit erfolgreich injiziert wird. Des Weiteren wurde eine Heliummessung durchgeführt, bei der sowohl der Injektionsstrahl als auch der Ringstrahl erfolgreich durch das Injektionssystem transportiert werden konnten. Auch die Auswirkungen des Injektionsmagneten auf den Ringstrahl konnten experimentell untersucht werden. Die verschiedenen Messungen wurden mittels des Gedankenmodells diskutiert und mit den Ergebnissen der Simulationen sowie untereinander verglichen. Das abschließende Ergebnis dieser Arbeit ist, dass durch den Einsatz von solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern der Injektionsstrahl vom Injektionsmagneten in den zweiten Toroid transportiert und dieser somit in die gekoppelte magnetische Konfiguration der Toroide eingelenkt werden kann. Der gleichzeitige verlustfreie Transport eines Ringstahls durch das Injektionssystem konnte dabei ebenfalls realisiert werden. Des Weiteren stimmen die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sowie die theoretischen Überlegungen überein. Das neuartige Injektionskonzept, welches als Schlüsselkomponente für die Umsetzung des Figure-8 Hochstromspeicherrings benötigt wird, wurde somit mittels Theorie, Simulation und Experiment überprüft und die Funktionalität bestätigt. Zukünftige Forschungsfragen für welche der Figure-8 Hochstromspeicherring verwendet werden könnte, bspw. aus den Bereichen der experimentellen Astrophysik oder Fusionsforschung, wurden abschließend diskutiert.