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Jan-Paul Thibus

• Das Funneling-Prinzip ist für Großprojekte wie SNS und IFMIF zur Erzeugung hoher Strahlströme bei hoher Brillanz von großem Interesse und bietet die Möglichkeit der Strahlstromerhöhung bei gleichbleibender Emittanz. Das Frankfurter Funneling-Experiment ist ein skalierter Aufbau einer ersten Funneling-Stufe von HIDIF. Hauptbestandteile des Experimentes sind zwei Multicusp-Ionenquellen, ein Zwei-Strahl-RFQ-Beschleuniger, ein Einzellen- und ein Mehrzellen-Deflektor sowie eine Emittanzmeßanlage. Das Zusammenführen zweier Ionenstrahlen nach dem Funneling-Prinzip konnte am IAP im Jahr 2000 erstmalig realisiert werden. Allerdings war aufgrund der unmodulierten End-Elektroden des RFQ-Beschleunigers der Strahlradius und die Emittanz bereits bei Eintritt in den Deflektor viel zu groß. Die dadurch aufgetretenen Strahlverluste an den Elektroden führten also nicht zu der gewünschten Strahlstromverdoppelung. Daraufhin wurden die letzten Elektrodenstücke der beiden Beschleuniger gegen modulierte Elektroden ausgetauscht. Der Fokus der Ionenstrahlen wird nun mittels eines sogenannten 3D-Matchings in den Strahlkreuzungspunkt gelegt. Experimente mit den neuen RFQ-End-Elektroden und dem überarbeiteten Mehrzellen- Deflektor stehen noch aus. Die vorliegende Arbeit entstand als theoretischer Teil im Rahmen des Frankfurter Funneling-Experimentes. Es sind zahlreiche Simulationsrechnungen zum bestehenden experimentellen Aufbau durchgeführt worden, die in Auszügen in Kapitel 7 dargestellt wurden. Weiterhin wurde die Teilchendynamik und die Raumladung in Deflektoren, das Emittanzwachstums während des Funnelings, der Einfiuß der inhomogenen Felder bei verschiedenen Deflektorgeometrien ausführlich untersucht und ausgewertet (Kapitel 8). Für diese Aufgaben sind einerseits neue Programme für eine dreidimensionale Deflektorsimulation und andererseits Software zur Auswertung mit graphischer Darstellung geschrieben worden. Diese wurden in Kapitel 6 vorgestellt. Die für diese Arbeit entwickelten Programme ermöglichen die Berechnung der Potential- und Feldverteilungen in elektrischen Hochfrequenz-Funneling-Deflektoren sowie die Simulation des Funnelingprozesses zweier Ionenstrahlen. Ferner sind diverse Auswertemethoden in tabellarischer oder graphischer Form wie Strahlverlauf, Emittanzebenen, Dichteverteilungen und Verlustgraphen verfügbar. Damit sind umfangreiche Simulationen und Auswertungen bezüglich des Deflektordesigns und der Strahldynamik sowie Optimierungen solcher Systeme möglich. Der Einfluß der Raumladungskräfte und der inhomogenen Felder auf den Funnelingprozeß konnten in Kapitel 8 gezeigt werden. Für den im Experiment verwendeten Mehrzellen-Deflektor sollten folgende Strahlparameter eingehalten werden: der Strahlradius in der x-y-Ebene sollte vor Eintritt in den Deflektor kleiner als 0.5 cm sein, die Energiebreite deltaW < +- 2% und die Phasenbreite deltaPhi < +- 30° betragen. Ansonsten treten Teilchenverluste durch Elektrodenkontakt auf oder der Bunch wird in longitudinaler Richtung zu groß, so daß die Möglichkeit besteht, das eine Überlappung der Bunche stattfindet. Mit der vorliegenden Arbeit sind Programme zur detaillierten Berechnung und Analyse von Funneling-Systemen entwickelt worden. Zukünftige Aufgaben sind neben der Untersuchung der Randfelder in Deflektoren die Minimierung des Emittanzwachstums durch die inhomogenen Felder. Nach ersten Strahltests und Funnelingergebnissen ist zu entscheiden, ob eine Matching-Sektion zwischen RFQ-Beschleuniger und Funneling-Deflektor zur weiteren Strahlanpassung eingebracht werden muss.