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For investigation of space charge compensation process due to residual gas ionization and the experimentally study of the rise of compensation, a Low Energy Beam Transport (LEBT) system consisting of an ion source, two solenoids, a decompensation electrode to generate a pulsed decompensated ion beam and a diagnostic section was set up. The potentials at the beam axis and the beam edge were ascertained from time resolved measurements by a residual gas ion energy analyzer. A numerical simulation of self-consistent equilibrium states of the beam plasma has been developed to determine plasma parameters which are difficult to measure directly. The temporal development of the kinetic and potential energy of the compensation electrons has been analyzed by using the numerically gained results of the simulation. To investigate the compensation process the distribution and the losses of the compensation electrons were studied as a function of time. The acquired data show that the theoretical estimated rise time of space charge compensation neglecting electron losses is shorter than the build up time determined experimentally. To describe the process of space charge compensation an interpretation of the achieved results is given.
A LEBT system consisting of an ion source, two solenoids, and a diagnostic section has been set up to investigate the space charge compensation process due to residual gas ionization [1] and to study experimentally the rise of compensation. To gain the radial beam potential distribution time resolved measurements of the residual gas ion energy distribution were carried out using a Hughes Rojanski analyzer [2,3]. To measure the radial density profile of the ion beam a CCD-camera performed time resolved measurements, which allow an estimation the rise time of compensation. Further the dynamic effect of the space charge compensation on the beam transport was shown. A numerical simulation under assumption of selfconsistent states [4] of the beam plasma has been used to determine plasma parameters such as the radial density profile and the temperature of the electrons. The acquired data show that the theoretical estimated rise time of space charge compensation neglecting electron losses is shorter than the build up time determined experimentally. An interpretation of the achieved results is given.
Influence of space charge fluctuations on the low energy beam transport of high current ion beams
(2000)
For future high current ion accelerators like SNS, ESS or IFMIF the beam behaviour in low energy beam transport sections is dominated by space charge forces. Therefore space charge fluctuations (e. g. source noise) can drastically influence the beam transport properties of the low energy beam transport section. Losses of beam ions and emittance growth are the most severe problems. For electrostatic transport systems either a LEBT design has to be found which is insensitive to variations of the space charge or the origin of the fluctuations has to be eliminated. For space charge compensated transport as proposed for ESS and IFMIF the situation is different: No major influence on beam transport is expected for fluctuations below a cut-off frequency given by the production rate of the compensation particles. Above this frequency the fluctuations can not be compensated by particle production alone, but redistributions of the compensation particles helps to compensate the influence of the fluctuations. Above a second cut-off frequency given by the density and the temperature of the compensation particles their redistribution is too slow to reduce the influence of the space charge fluctuations. Transport simulations for the IFMIF injector including space charge fluctuations will be presented together with a determination of the cut-off frequencies. The results will be compared with measurements of the rise time of space charge compensation.
Bei den Projekten wie der Europäischen und der Amerikanischen Spallationsneutronenquelle aber auch den geplanten aktuellen Großprojekten wie dem Upgrade von CERN oder ISIS werden negative Ionen benötigt. Bei solchen Anlagen werden am Ende des üblichen linearen Beschleunigers Speicherringe eingesetzt, die den Teilchenstrom akkumulieren und danach longitudinal komprimieren. Durch die Verwendung eines Strahls aus negativen Ionen kann die Injektion in den Speicherring wesentlich vereinfacht werden. In der vorliegenden Dissertation wurde die Extraktion und der Transport von negativen Wasserstoffionen für den ersten Abschnitt eines Linearbeschleunigers, bestehend aus Quelle, Extraktion und niederenergetischem Strahltransport (LEBT), sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. In dieser Sektion wird der grundlegende Strahlstrom und die Strahlqualität eines Linearbeschleunigers definiert. Eine komplette Untersuchung dieses Abschnitts lag bis dato für negative Ionen nicht vor. Um die Unterschiede aufzudecken und die einflußnehmenden Größen zu bewerten, mußten alle Experimente sowohl mit positiven als auch mit negativen Ionen durchgeführt werden. In allen Sektionen führen verschiedene Faktoren zu Strahlstromverlusten und Qualitätsverschlechterung, sprich Emittanzvergrößerung. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Quelle für negative Ionen entwickelt und gebaut und eine neue Methode zur Produktionssteigerung von negativen Ionen entwickelt. Die Innenwand der Plasmakammer der Ionenquelle wurde mit dem Edelmetallkatalysator Platin beschichtet. Die Plasmazusammensetzung innerhalb der Quelle verlagerte sich dadurch auf 80–90% H3 , 5-10% H2 und nur noch ein geringer Anteil an Protonen. Dieser hohe molekulare Anteil war über eine große Spanne aller Plasmaparameter stabil und führt zu einer drastischen Produktionssteigerung von angeregtem H2 und H- . Zur Formierung des Ionenstrahls wurde von mir ein sogenannter stromtoleranten Extraktor entwickelt. Trotz einer Veränderung des extrahierten Stroms um den Faktor 5 kommt es mit diesem Extraktor zu keinem nennenswerten Emittanzwachstum. Dieser eignet sich allgemein für die Extraktion gepulster Ionenstrahlen, im Besonderen aber für die Extraktion von negativen Ionen, da hierbei gleichzeitig Elektronen mit extrahiert werden. Dieser meist hohe Strahlanteil aus hochenergetischen Elektronen muß vor dem Einschuß der negativen Ionen in den RFQ durch ein geeignetes System aus dem Strahl ausgelenkt und abgeführt werden. Grundlagen, Entwicklung und Einflüsse dieser sogenannten Dumpingsysteme werden in Kap. 5 beschrieben. Für die Realisierung einer Niederenergietransportstrecke für negative Ionen stehen die beiden Möglichkeiten des magnetischen LEBT (Kap. 6) und des elektrostatischen LEBT (Kap. 7) zu Verfügung. Mit verschiedenen Meßaufbauten werden im anschließenden Kap. 8 die in den vorigen Kapiteln aufgeführten relevanten Größen der Erzeugung, der Extraktion und des Transport experimentell untersucht. Zusätzlich zu den bekannten klassischen Analyseverfahren kommen im Rahmen dieser Arbeit entwickelte optische Meßmethoden zum Einsatz, mit deren Hilfe man Plasmatemperatur und Plasmaverteilung innerhalb der Ionenquelle bestimmen kann. Mit Hilfe der Untersuchungen gelang es, die Unterschiede zwischen der Extraktion von negativen Ionen und von positiven Ionen aufzuzeigen und mit Hilfe der experimentellen Beobachtungen ein neues Modell für die Extraktion von negativen Ionen zu entwickeln. Mit der vorliegenden Arbeit wurde zudem gezeigt: - Der extrahierbare negative Strom ist hauptsächlich abhängig vom Diffusionsprozeß der Teilchen durch einen positiven Potentialwall innerhalb der Ionenquelle. - Durch Kompensation der magnetischen Felder in der Extraktionsregion wird die Emittanz reduziert und der Strom gesteigert. - Der beobachtete planare Plasmameniskus wird maßgeblich durch die rückfließenden Restgasionen beeinflußt. - Der Transport der negativen Ionen mit einer magnetischen LEBT stellt kein wesentliches Problem dar, da eine hinreichende Anzahl an positiven Restgasionen für den raumladungs-kompensierten Transport vorliegt.