Schnelles Choppersystem für hochintensive Protonenstrahlen

Fast chopper system for high intensity proton beams

  • In der vorliegenden Arbeit wird ein schnelles Choppersystem für einen hochintensiven niederenergetischen Protonenstrahl untersucht. Das Choppersystem wird in der Niedrigenergiesektion (LEBT) der Frankfurter Neutronenquelle FRANZ eingesetzt. Der Treiberstrahl hat dort eine Energie von 120 keV und eine Intensität von bis zu 200 mA Protonen. Gefordert ist die Erzeugung eines gepulsten Strahls mit einem 50 bis 100 ns langen Pulsplateau und einer Wiederholrate von 250 kHz. Nach der Diskussion verschiedener Chopperkonzepte wird der Einsatz eines Kickersystems vorgeschlagen. Magnetische und elektrische Kicker werden im Hinblick auf Geometrie, Ablenkfelder, Strahldynamik, Emittanzwachstum, Leistungsbedarf sowie Betrieb im Schwingungs- oder im Pulsmodus untersucht. Die Realisierung des Choppersystems wird mit Hilfe von numerischen Simulationen und Vorexperimenten geprüft. Ein eigens dazu entwickelter Particle-in-cell (PIC)-Code wird vorgestellt. Er erlaubt die Simulation von Vielteilchen-Prozessen in zeitabhängigen Kickerfeldern unter Berücksichtigung der Effekte der Sekundärelektronen. Die Vorexperimente für die Ansteuerung des Kickers werden präsentiert. Für den magnetischen Kicker wurde eine niederinduktive Testspule und für den elektrischen Kicker ein Transformator bestehend aus einem nanokristallinen Ringbandkern aufgebaut. Abschließend werden die beiden Systeme miteinander verglichen. Ein magnetischer Kicker ist auch bei hohen Strahlintensitäten weniger anfällig für Strahlverluste und kann ohne die Gefahr von Spannungsdurchschlägen betrieben werden. Bei den geforderten hohen Wiederholraten ist jedoch der Leistungsbedarf nicht annehmbar, so dass im Ausblick die Weiterentwicklung eines elektrischen Kickersystems vorgeschlagen wird.
  • In the framework of this thesis a fast chopper system for a low energy high intensity proton beam was investigated. The chopper system will be installed in the Low Energy Beam Transport (LEBT) section of the Frankfurt Neutron Source facility (FRANZ), where the proton driver beam has an energy of 120 keV, with intensities up to 200 mA. The generation of a pulsed beam with a 50 to 100 ns flat top at a repetition rate of 250 kHz is required. After discussing different chopper concepts the use of a kicker system is proposed. Magnetic and electric kickers are characterized regarding geometry, deflecting fields, beam dynamics, emittance growth, power consumption and mode of operation i.e. pulsed or oscillatory. The design of the chopper system is studied using numerical simulations and pre-experiments. A Particle-in-cell (PIC) code developed for this purpose is presented. It allows the simulation of multi-particle scenarios in time-dependent kicker fields while considering the effects of secondary electrons. The pre-experiments for the driver of the kicker system are described. In the case of the magnetic kicker a low inductance test coil and in the case of the electric kicker a transformer consisting of a nanocrystalline tape wound core was constructed. Altogether, both systems are compared with each other. A magnetic kicker is less susceptible to beam losses and can be operated without risk of voltage breakdowns even at high beam intensities. But at the required high repetition rate the power consumption is not acceptable. Therefore the development of an electric kicker system is proposed.

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Metadaten
Author:Christoph Wiesner
URN:urn:nbn:de:hebis:30-69927
Referee:Ulrich Ratzinger, Horst Klein
Document Type:diplomthesis
Language:German
Year of Completion:2008
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Release Date:2009/10/16
Tag:Emittanz; LEBT; Particle-in-cell-Methode; Strahlformung; Strahltransport
Beam Shaping; Beam Transport; Emittance; LEBT; Particle-in-cell Method
GND Keyword:Teilchenbeschleuniger; Chopper; Strahldynamik; Ablenkung <Physik>; Gepulster Strahl; Protonenstrahl
HeBIS-PPN:216750067
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS-Classification:20.00.00 NUCLEAR PHYSICS / 29.00.00 Experimental methods and instrumentation for elementary-particle and nuclear physics / 29.20.-c Accelerators (for accelerators used in medical applications, see 87.56.bd) / 29.20.Ej Linear accelerators
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 41.00.00 Electromagnetism; electron and ion optics / 41.85.-p Beam optics (see also 07.77.Ka Charged-particle beam sources and detectors in instruments; 29.27.-a Beams in particle accelerators) / 41.85.Ct Particle beam shaping, beam splitting
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50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.59.-f Intense particle beams and radiation sources (see also 29.25.-t Particle sources and targets, and 29.27.-a Beams in particle accelerators, in instrumentation for elementary-particle and nuclear physics) / 52.59.Sa Space-charge-dominated beams
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.65.-y Plasma simulation / 52.65.Rr Particle-in-cell method
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