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In der LEBT-Sektion der Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) befinden sich zur transversalen Fokussierung des Ionenstrahls vier Solenoide. Die ersten beiden dienen dem Einschuss in das ExB-Choppersystem, die letzten beiden dem Einschuss in die erste Beschleunigerstruktur, den Radiofrequenzquadrupol (RFQ). In numerischen Transportsimulationen konnte gezeigt werden, dass insbesondere der erste Solenoid einen hohen Füllgrad aufweisen wird, was zu Strahlaberrationen und damit zu einer unerwünschten Erhöhung der Strahlemittanz führen kann.
Um diesen Effekt zu untersuchen, wurden die Fokussier- und Abbildungseigenschaften des ersten FRANZ-Solenoides analysiert. Analytische Rechnung unter Verwendung der Twissparametertransformation wurden durchgeführt, numerische Simulationen mit einem idealisiertem und einem realistischem Magnetfeldverlauf gemacht und 2 Messaufbauten mit einer Volumenquelle, dem Solenoid und einer Schlitz-Gitter-Emittanzmessanlage realisiert, um gemessene mit analytischen und numerischen Daten vergleichen zu können. Die Parameter, die ausgewertet und verglichen wurden, sind die Lage der Emittanzellipse, die Emittanz im x-x'-Phasenraum und die normierten vierten Momente (Wölbung) im Ortsraum.
Precise tune determination and split beam emittance reconstruction at the CERN PS synchrotron
(2023)
In accelerator physics, the need to improve the performance and better control the operating point of an accelerator has become, year after year, an increasingly important need in order to achieve higher energies and brightness, as well as point-like particle beams. If this involves increasingly advanced technological developments (in terms, for example, of materials for more intense superconducting magnets), it can not take place in the absence of targeted studies of linear and non-linear beam dynamics. In the context of this Ph.D. thesis in physics, linear and non-linear dynamics of charged particles in circular accelerators is the topic that will be discussed and treated in detail. In particular, the presentation and discussion of the results will be divided in two main topics: the need to know the physical properties of a proton beam; and the development of innovative methods to determine and study the accelerator’s working point. With regard to the first topic, an innovative procedure will be presented to determine the transverse size of the PS beam in the beam extraction phase. Among the different ways the extraction occurs at the PS, the analysed one is based on the transverse splitting of the beam by means of non-linear fields. Thus, the knowledge of the transverse beam size is not trivial since resonant linear and non-linear beam structures (namely, core and islands) arise and, for each of them, the beam size has to be quantified. This parameter is crucial for two main reasons: the accelerator that will receive the beam exiting the upstream accelerator may have restrictions (physical or magnetic) that involve a partial or total loss of the incoming beam; and any experiments located downstream of the considered accelerator may need a beam with a transversal size as constant as possible; consequently, its monitoring and control are essential. The second topic concerns the accurate determination of the working point of an accelerator, defined as the number of transverse oscillations the particle beam travels per unit of accelerator circumference, both horizontally and vertically. This quantity is called horizontal and vertical tune, respectively. Their knowledge is also crucial to understand whether the beam will be stable or unstable. In fact, not all tune values are acceptable, as there are particular values that bring the beam into resonance. In this configuration, the amplitude of the transverse oscillations of the particles increases in an uncontrolled manner and leads to the loss of all or part of the beam. Note that, in particular operating conditions, the resonant conditions are sought and desired to model, in a suitable way, the transversal shape of the beam, such as the above mentioned PS extraction scheme. It is even clearer how much the determination of the machine working point is essential to determine the operating conditions of an accelerator. In this context, several methods (also taken from the field of applied mathematics) to calculate the tune will be demonstrated and tested numerically on different types of synthetic signals. At the end of this description, the use of experimental data will allow to obtain the benchmark of a new method for the direct calculation of some characteristic quantities of non-linear beam dynamics (namely, the amplitude detuning, i.e. the variation of tune as a function of intensity of the perturbation provided to the beam.
Zur effizienten Beschleunigung von Ionen wird meist nach deren Erzeugung in einer Ionenquelle ein Radio Frequenz Quadrupol verwendet. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Entwicklung, Bau und Messung des Prototyps eines neuartigen Leiter-RFQs, der bei 325 MHz betrieben wird. Der Leiter-RFQ verfügt über ein neuartiges mechanisches Design und versucht die Vorteile der beiden vorrangig im Betrieb befindlichen RFQ Typen, des 4-Rod und 4-Vane RFQs, zu verbinden. Die physikalischen Parameter sind der Spezifikation des RFQs für den geplanten Protonenlinac (p-Linac) am FAIR-Projekt an der GSI Darmstadt entnommen. Darüber hinaus wird der aktuelle Planungs- und Simulationsstand eines modulierten Prototyps mit der vollen Länge von ca. 3,5 m zur Durchführung von Strahltests dargestellt.
In dieser Diplomarbeit wurden zwei vom Funktionsprinzip und Aufbau her vollständig unterschiedliche Plasmabeschleuniger aufgebaut und bezüglich ihrer Eigenschaften untersucht. Der erste Aufbau ist ein Lorentzdriftbeschleuniger (LDB) mit kapazitiv erzeugten Plasmen, bei dem das Funktionsprinzip auf der Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger im Magnetfeld beruht. Der zweite Teil des Experiments stellt einen induktiven Beschleuniger (IB) dar, dessen Erzeugung und Beschleunigung von Plasmen auf Grund von Induktionskräften geschieht.
Die optischen und elektrischen Messungen von beiden Beschleunigern wurden in einem speziell konstruierten Experimentieraufbau durchgeführt. Beim Lorentzdriftbeschleuniger wurde der Einfluss der Elektrodenlänge auf den Bewegungsablauf der Plasmaentladung untersucht. Später, bei der Durchführung der Messungen mit dem induktiven Beschleuniger wurde der LDB als Schalter eingesetzt. Dabei stellte sich heraus, dass die Erosion der Elektroden aus Messing, die die Lebensdauer des Lorentzdriftbeschleunigers begrenzt, von der Stromstärke abhängt.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass der LDB einen einfacheren Aufbau als der IB hatte, die Ausstoßgeschwindigkeit des Plasmas war im Vergleich zum IB höher und betrug im Durchschnitt etwa 50-60 [km/s] gegenüber ≈ 21,5±6,5 [km/s] beim IB. Dagegen wurde beim IB eine größere Plasmamasse von 27 [μg] erzeugt gegenüber 2,8 [μg] beim LDB. Somit erreichte der IB eine höhere Schubkraft von ≈ 66 [N] bei einem Impuls von 0,58±0,17 [mNs] pro Puls mit Pulslängen um 0,88 ×10 -5 [s] . Im Gegensatz dazu lag die Schubkraft des LDB`s bei etwa 27-32 [N] mit einem Impuls von 0,135-0,162 [mNs] pro Puls mit Pulslängen von 5-5,75 ×10 -6 [s].
Die vorliegende Arbeit präsentiert den Aufbau und die Diagnostik eines Niederdruck-HF-Plasmas. Durchgeführt wurden die Messungen in einem Gasgemisch aus Ar/He (50%=50%). Sie dienten dazu, nähere Einblicke in die Plasmaparameter eines HF-Plasmas zu erhalten. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildete dabei die Auswirkung unterschiedlicher Antennengeometrien auf die Entladungseigenschaften. Hierfür wurden die Plasmaparameter Elektronentemperatur Te, Elektronendichte ne und HF-Leistung in Abhängigkeit des Gasdruckes bei einer Vorwärtsleistung des HF-Generators von 1kW untersucht. Um eine sinnvolle Diagnostik zu gewährleisten, war es zunächst erforderlich eine induktive HF-Einspeisung zu konzipieren und eine Impedanzanpassung an dem vorhandenen 13,56MHz Generator vorzunehmen. Die Einspeisung der HF-Leistung geschieht über eine Spule, nach dem Transformatorprinzip. Der Aufbau bietet die Möglichkeit einer modularen Gestaltung der verwendeten Antennengeometrie. Hierdurch ist es möglich, sowohl die Länge, die Windungsbreite als auch die Windungsanzahl schnell zu ändern, um experimentell ein Optimum der Plasmaparameter bezüglich der Plasmaanregung zu erreichen.
Für die Bestimmung der Plasmaparameter wurde vorwiegend eine nicht invasive Diagnostiktechnik, die Emissionsspektroskopie, eingesetzt. Sie bietet den Vorteil, ein Plasma unberührt zu lassen und dessen Eigenschaften nicht zu verfälschen. Zusätzlich wurde mit einer Langmuirsonde die Elektronendichte gemessen. Die eingespeiste HF-Leistung wurde mit einem im HF-Generator befindlichen Reflektometer überwacht und dokumentiert. Durch systematisch durchgeführte Messungen konnte die Elektronentemperatur in Abhängigkeit des Gasdruckes für unterschiedliche Spulengeometrien mit Hilfe der Spektroskopie bestimmt werden. Es ergaben sich typische Elektronentemperaturen einer induktiven Entladung zwischen 1 eV und 5 eV. Die Ursache einer höheren Elektronentemperatur bei niedrigen Gasdrücken, unterhalb von 1 Pa, kann durch die stochastische Heizung sowie resonante Heizmechanismen erklärt werden.
Die mit der Langmuirsonde bestimmte Elektronendichte belief sich auf 4 x 10 exp 15 m exp -3 bei niedrigen Gasdrücken und einem Maximum von 4 x 10 exp 17 m exp -3 bei einem Gasdruck von 3 Pa. Elektronendichten dieser Größenordnung sind typisch für induktive Entladungsplasmen, die ein Maximum von 1019 m exp -3 [Lie05] erreichen können.
Die eingespeiste HF-Leistung zeigte dabei eine starke Abhängigkeit von der Antennengeometrie. Durch die Optimierung der Spulenkonfiguration ergab sich eine maximale eingespeisten HF-Leistung von 0,8kW.
Ein Vergleich von HF-Leistung und Elektronendichte bestätigte die theoretische Modellvorstellung, die einen linearen Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen postuliert. Somit konnten wichtige Eigenschaften bezüglich einer HF-Entladung sowie Einflüsse der Antennengeometrie auf die Entladungseigenschaften untersucht und umfangreich diskutiert werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau von koaxialen Plasmabeschleunigern und deren Verwendung für die Untersuchung der Eigenschaften von kollidierenden Plasmen. Zukünftig sollen diese kollidierenden Plasmen als intensive Strahlungsquelle im Bereich der ultravioletten (UV-) und vakuumultravioletten (VUV-)Strahlung sowie in der Grundlagenforschung als Target zur Ionenstrahl-Plasma-Wechselwirkung Verwendung finden. Für diese Anwendungen steht dabei eine Betrachtung der physikalischen Grundlagen im Vordergrund. So sind neben der Kenntnis der Plasmadynamik auch Aussagen bezüglich der Elektronendichte, der Elektronentemperatur und der Strahlungsintensität von Bedeutung. Im Einzelnen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, durch eine Plasmakollision die Elektronendichte des Plasmas im Vergleich zu der eines einzelnen Plasmas deutlich zu erhöhen - im Maximalfall um den Faktor vier. Gleichzeitig stieg durch die Plasmakollision die Lichtintensität im Wellenlängenbereich der UV- und VUV-Strahlung um den Faktor drei an...
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.
The Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI Darmstadt will provide unprecedented intensities of protons and heavy ions up to uranium at energies of up to 29 GeV for protons and 2.7 GeV/u for Uranium 28+. To achieve high intensities in the synchrotron accelerators, high beam currents have to be provided by the injector linear accelerators. High current heavy ion beams are provided by the Universal Linear Accelerator (UNILAC), which in its current state will not be able to provide the required FAIR beam currents. This thesis deals with the development of upgrades for the UNILAC to ensure its high current capability. The first improvement is a matching section (MEBT) for the interface between the RFQ and the IH-DTL of the existing high current injector HSI at the UNILAC. With this new MEBT section, particle losses are eliminated and the overall beam quality is improved. As a second improvement, a complete replacement of the existing Alvarez-DTL is presented. A combination of efficient IH-type cavities and KONUS beam dynamics results in a reduction of the linac length from about 60 m (Alvarez) to just 23 m (new IH-DTL) while providing the same energy and fulfilling FAIR requirements of a high beam current and beam quality. This thesis contains a detailed beam dynamics design of the new linac including some fundamental investigations of the KONUS beam dynamics concept. A cross-check of the beam dynamics design was performed with two independent multi-particle simulation codes. Detailed error studies were conducted to investigate the influence of manufacturing, alignment and operating errors on the beam dynamics performance. Additionally, all five linac cavities were designed, optimized, and their RF parameters including power requirements calculated to provide a comprehensive linac design.
In der Experimentierhalle der Physik am Campus Riedberg der Goethe – Universität wird gegenwärtig die Beschleunigeranlage FRANZ aufgebaut. FRANZ steht für Frankfurter Neutronenquelle am Stern-Gerlach-Zentrum. Die Anlage bietet vielfältige Experimentiermöglichkeiten in der Untersuchung intensiver, gepulster Protonenstrahlen. Ein Forschungsschwerpunkt an den sekundären Neutronenstrahlen sind Messungen zur nuklearen
Astrophysik. Die Neutronen werden durch einen 2 MeV Protonenstrahl mittels der Reaktion 7Li (p, n) 7Be erzeugt. Die geplanten Experimente erfordern sowohl eine hier weltweit erstmals realisierte Pulsrepetitionsrate von bis zu 250 kHz bei Pulsströmen im 100 mA – Bereich als auch eine extreme Pulskompression auf eine Nanosekunde bei dann auftretenden Pulsströmen im Ampere – Bereich. Daneben ist auch ein Dauerstrich – Strahlbetrieb im mA – Strombereich möglich. Auch viele einzelne Beschleunigerkomponenten wie die Ionenquelle, der Chopper zur Pulsformung, die hochfrequent gekoppelte RFQ-IH-Kombination, der Rebuncher in Form einer CH – Struktur und der Bunchkompressor sind Neuentwicklungen. Mittlere Strahlleistungen von bis zu 24 kW treten im Niederenergiestrahltransportbereich auf, da die Ionenquelle grundsätzlich im Dauerstrich zu betreiben ist, auch bei Hochstrom mit hohen Pulsrepetitionsraten. Der Personen- und Geräteschutz spielt damit auch eine wesentliche Rolle bei der Auslegung des Kontrollsystems für FRANZ. Der Aufbau von FRANZ und seine wesentlichen Komponenten werden in Kapitel 2 erläutert. Die vielen unterschiedlichen Komponenten wie Hochspannungsbereich, Magneten, Hochfrequenzbauteile und Kavitäten, Vakuumbauteile, Strahldiagnose und Detektoren machen plausibel, dass auch das Kontrollsystem für eine solche Anlage speziell ausgelegt werden muss. In Kapitel 4 werden zum Vergleich die Konzepte zur Steuerung und Regelung aktueller, großer Beschleunigerprojekte aufgezeigt, nämlich für die „European Spallation Source ESS“ und für die „Facility for Antiproton and Ion Research FAIR“. In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionenquelle als komplexe Beschleunigerkomponente ausgewählt, um Entwicklungen zur Steuerung und Regelung durchzuführen und zu testen. Zum Anfahren und Betreiben der Ionenquelle wurde ein Flussdiagramm (Abb. 5.15) entwickelt und realisiert. Im Detail wurden Untersuchungen zur Abhängigkeit der Heizkathodenparameter von der Betriebsdauer gemacht. Daraus konnte ein Algorithmus zur Vorhersage eines rechtzeitigen Filamentaustausches abgeleitet werden. Weiterhin konnte die Nachregelung des Kathodenheizstromes automatisiert werden, um damit die Bogenentladungsspannung innerhalb eines Intervalls von ± 0.5 V zu stabilisieren. Das Anfahren des Filamentstroms wurde ebenfalls automatisiert. Dazu wird die Vakuumdruckänderung in Abhängigkeit der Filamentstromerhöhung gemessen, ausgewertet und daraus der nächste erlaubte Stromerhöhungsschritt abgeleitet. Auf diese Weise wird der Betriebszustand schneller und kontrollierter erreicht als bei manuellem Hochfahren. Das Ziel eines unbemannten Ionenquellenbetriebs ist damit näher gerückt. In einem ersten Test zur Komponentensteuerung und zur Datenaufnahme wurde ein Ionenstrahl extrahiert und durch den ersten Fokussierungsmagneten – einen Solenoiden – transportiert. Es wurde der Erregungsstrom des Solenoiden sowie die Strahlenergie automatisch durchgefahren, die Daten abgespeichert und daraus ein Kontourplot zum gemessenen Strahlstrom hinter der Fokussierlinse erstellt (Abb. 5). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nur mit den „langsamen“ Steuerungs- und Regelungsprozessen, während die schnellen Prozesse im Hochfrequenzregelungssystem unabhängig geregelt werden. Neben der Überwachung des Betriebszustandes aller Komponenten werden auch alle für den Service und die Personensicherheit benötigten Daten weggeschrieben. Das System basiert auf MNDACS (Mesh Networked Data Acquisition and Control System) und ist in JAVA geschrieben. MNDACS besteht aus einem Kernel, welcher die Komponententreiber-Software sowie den Netzwerkserver und das graphische Netzwerkinterface (GUI) betreibt. Weterhin gehört dazu das Driver Abstraction Layer (DAL), welches den Zugang zu weiteren Computern oder zu lokalen Treibern ermöglicht. CORBA stellt die Middleware für Netzwerkkommunikation dar. Dadurch wird Kommunikation mit externer Software geregelt, weiterhin wird die Umlegung von Kommunikation im Fall von Leitungsunterbrechungen oder einem lokalen Computerabsturz festgelegt. Es gibt bei FRANZ zwei Kontrollebenen: Über Ethernet läuft die „High Level Control“ und die Datenverarbeitung. Über die „Low Level Control“ läuft das Interlock – und Sicherheitssystem. Die Netzwerkverbindungen laufen über 1 Gb Ethernet Links, womit ein schneller Austausch auch bei lokalen Netzwerkstörungen noch möglich ist. Um bei Stromausfällen das Computersystem am Laufen zu halten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein „Uninterruptable Power Supply“ UPS beschafft und erfolgreich am Hochspannungsterminal getestet.