Fokussierung und Transport von Ionenstrahlen mit Raumladungslinsen

Focussing and transport of ion beams using space charge lenses

  • In einer Gabor-Linse wird durch ein axiales magnetisches Feld und ein longitudinales Potential ein so genanntes nichtneutrales Plasma (NNP) stabil eingeschlossen. Das elektrische Feld der Ladungsträgerwolke wirkt fokussierend auf Ionenstrahlen, die das Linsenvolumen passieren. Dieses Konzept, das D. Gabor 1946 vorstellte, wurde hinsichtlich seiner Eignung zur Ionenstrahlfokussierung seit den 1970-er Jahren untersucht, denn Gabor-Linsen ermöglichen eine elektrostatische Fokussierung erster Ordnung bei gleichzeitiger Raumladungskompensation im gesamten Transportkanal und haben damit einen großen Vorteil gegenüber den konventionellen Linsensystemen. Hauptsächlich zwei Gründe sprachen jedoch nach den meisten Experimenten gegen einen Einsatz dieses Linsentyps in Beschleunigern: Die erreichte Einschlusseffizienz und die Abbildungseigenschaften der eingeschlossenen Raumladungswolke blieben weit hinter den Erwartungen zurück. Erst ein geändertes Konzept zur Befüllung der Linse mit Elektronen und ein parallel zu den Experimenten entwickeltes numerisches Verfahren zur Bestimmung der Plasmaparameter ermöglichte die Entwicklung eines Linsensystems, das die Vorteile gegenüber konventionellen Ionenoptiken sichtbar werden ließ In der vorliegenden Arbeit wird neben der theoretischen Beschreibung des Plasmaeinschlusses der Aufbau und die Funktionsweise einer Gabor-Linse dargestellt. Experimentelle Befunde zur Strahlinjektion in einen RFQ unter Verwendung einer LEBT-Sektion, bestehend aus zwei Gabor-Linsen werden präsentiert. Nach der Beschleunigung des Ionenstrahles durch einen RFQ auf eine Energie von etwa 440 keV sollten Transportexperimente zeigen, ob eine neu entwickelte Hochfeld Gabor-Linse (HGL) zur Fokussierung dieses Strahles eingesetzt werden kann. Die Strahlenergie ist dabei mit der vergleichbar, die im HIF-Projekt (Heavy Ion Fusion) für die Injektion des Bi1+-Strahles in die erste Beschleunigerstruktur geplant ist. Insbesondere war bei den Experimenten mit dem durch den RFQ beschleunigten Strahl die Einschlusseffizienz bezüglich der Elektronendichte in der HGL von Interesse und auch das Verhalten des NNP bei der Fokussierung eines gepulsten Ionenstrahles.
  • Gabor lenses provide strong cylinder symmetric focusing for low energy ion beams using a confined nonneutral plasma. They need drastically reduced magnetic and electrostatic field strength or a reduced installation length to provide a given focal length compared with conventional LEBT – systems like quadrupoles and magnetic solenoids. The density distribution of the enclosed space charge is given by the enclosure conditions in transverse and longitudinal direction. For homogeneous charge density distribution the resulting electrostatic field and therefrom the focusing forces inside the space charge cloud are linear. Additionally in case of a positive ion beam the space charge of the confined electrons causes compensation of the ion beam space charge forces. Hence all resolving forces on the beam ions are linear and thus the transformation is linear as well and the aberrations are minimal. Therefore space charge lenses are a serious alternative to inject space charge dominated low energy heavy ion beams into an RFQ. To study the capabilities of a Gabor double lens system to match an ion beam into an RFQ a testinjector was installed at IAP and put into operation successfully. Furthermore to verify the beam focusing of bunched beams using this lens type at beam energies up to 500 keV a new high field Gabor lens was built and installed downstream of the RFQ. The experimental results will be presented together with numerical simulations.

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Metadaten
Author:Oliver MeuselGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30-28283
Referee:Ulrich Ratzinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2006/06/27
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2006/02/17
Release Date:2006/06/27
Tag:Gabor-Linse; RFQ; Raumladungslinse; Strahldiagnose; nnp
Gabor lens; RFQ; emittance; ion beam; nnp
GND Keyword:Ionenstrahl; Raumladungskompensation; Emittanz; Ionenoptik; RFQ-Beschleuniger
HeBIS-PPN:179105337
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht