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The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest and most powerful particle accelerator in the world, designed to collide two proton beams with particle momentum of 7 TeV/c each. The stored energy of 362MJ in each beam is sufficient to melt 500 kg of copper or to evaporate about 300 litre of water. An accidental release of even a small fraction of the beam energy can cause severe damage to accelerator equipment. Reliable machine protection systems are necessary to safely operate the accelerator complex. To design a machine protection system, it is essential to know the damage potential of the stored beam and the consequences in case of a failure. One (catastrophic) failure would be, if the entire beam is lost in the aperture due to a problem with the beam dumping system.
This thesis presents the simulation studies, results of a benchmarking experiment, and detailed target investigation, for this failure case. In the experiment, solid copper cylinders were irradiated with the 440GeV proton beam delivered by the Super Proton Synchrotron (SPS) at the High Radiation to Materials (HiRadMat) facility at CERN. The experiment confirmed the existence of the so-called hydrodynamic tunneling phenomenon for the first time. Detailed numerical simulations for particle-matter interaction with FLUKA, and with the two-dimensional hydrodynamic code, BIG2, were carried out. Excellent agreement was found between the experimental and the simulation results that validate predictions for the 7TeV beam of the LHC. The hydrodynamic tunneling effect is of considerable importance for the design of machine protection systems for accelerators with high stored beam energy. In addition, this thesis presents the first studies of the damage potential with beam parameters of the Future Circular Collider (FCC).
To detect beam losses due to fast failures it is essential to have fast beam instrumentation. Diamond based particle detectors are able to detect beam losses within a nanosecond time scale. Specially designed diamond detectors were used in the experiment mentioned above. Their efficiency and response has been studied for the first time over 5 orders of bunch intensity with electrons at the Beam Test Facility (BTF) at INFN, Frascati, Italy. The results of these measurements are discussed in this thesis. Furthermore an overview of the applications of diamond based particle detectors in damage experiments and for LHC operation is presented.
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 the intense low energy ion beam transport was investigated. Especially, the beam transport in toroidal magnetic field configurations was discussed, as it may allow the accumulation of high intensive beams in the future. One of the specific tasks is to design an injection system that can be used for the proposed low energy accumulator ring. This thesis regarding beam transport investigations is related to the larger research fields, storage rings used in accelerator physics and non-neutral plasmas. The proposal of building a storage ring with longitudinal guiding magnetic fields was made. Due to natural transversal focussing in magnetic fields it is possible to accumulate very intense charged particle beams, a subject of interest within the physics community. A simulation code (TBT) was written to describe the particle motion in curved segments. Particle in Cell techniques were utilized to simulate a multi particle dynamics. This code allows the user to generate different particle distributions as input parameter. A possibility of reading an external data file was made available so that a measured distribution can be used to compare simulation results with measured ones. A second order cloud in cell method was used to calculate charge density and in turn to solve Poisson’s equation. The circular toroidal coordinate system was used. The drift motion and gyrating motion was proved to be consistent with analytical values. Further simulations were performed to study the self field effects on beam transport. The experiments with single toroidal segments find niche in the work. The experiments were performed to compare the simulation results and gain practical experience. The toroidal segment has similar dimensions (major axis R = 1:3 m, minor axis r = 0:1 m, arc angle 30°) as for a full scale ring design. The main difference lies in the magnetic field strength. The available segments can be operated at room temperature producing 0:6T on axis maximum magnetic field, while for the storage ring design this value is in the range of 5T. The preparatory experiments consisted of building and characterization of the ion source in a first step. Along with the momentum spectrometer and emittance scanner the beam properties were studied. Low mass ion beams He+ and mixed p, H2+, H3+ beams were analyzed. The proton beam consisting of a 48% H+ fraction was extracted regularly and used for further experiments. A moderate beam energy of 10 keV was chosen as operational energy for which 3.08 mA proton beam current was measured. In the second stage, beams were transported through a solenoid and the phase space distribution was measured as a function of the magnetic field for different beam energies. The phase-space as distributions measured in a first stage were simulated backward and then again forward transported through the solenoid. The simulated results were then compared with the measured distribution. The LINTRA transport program was used. The phase-space distribution was further simulated for transport experiments in a toroidal magnetic field. The experiments with a single toroidal segment give basic results necessary to compare the results between transport code (TBT) and measurements. The optical diagnostic provides measurements which can be well compared with the simulated results. A digital camera with a magnetic shield was used to record images in jpeg file format. A subroutine was written to analyze an image file to give the intensity distribution of a given image file. The integrated profile in vertical and horizontal direction was used to calculate the vertical drift and the beam size. The simulated values were in good agreement with the measured ones. The injection system needs most care. The transport program that was used to simulate the beam in the toroid was also used to design the injection system. The injection system with its special field configurations was designed to perform experiments with room temperature segments. The main point to tackle was to smoothly bring the charged particles generated outside the trap into the acceptance of the ring. The designed system consists of two sources, one representing a ring beam and the other one the injection beam. While simulations showed a clear way, how to inject the particle beam via a well positioned solenoid and in combination with a transverse electric field element causing an ExB drift into the main ring acceptance. After construction of these injection elements it will be very important to measure the robustness of such a system with respect to the beam stability- especially of the injection channel.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Detektor-Sonde entwickelt, um Strahlprofile eines Ionenstrahls entlang der gekrümmten, geometrischen Achse eines Toroidsektormagneten zu messen. Bei der Konstruktion der Sonde musste die zuverlässige Messwerterfassung im Vakuum und innerhalb magnetischer Felder von bis zu 0,6 T berücksichtigt werden. Im theoretischen Teil werden die Theorie zum Strahltransport in den verwendeten Bauteilen, sowie die Funktionsweise eines Phosphor-Schirms (P20) dargelegt. Im experimentellen Teil wird die bewegliche Sonde, der verwendete Versuchsaufbau, sowie die Messungen und deren Auswertung näher beschrieben. Im abschließenden Fazit wird auch auf Alternativen zu der verwendeten Messmethode und deren Vor- und Nachteile eingegangen.
The current performance of a 4π barium fluoride gamma detector consisting of 41 modules is evaluated. It will be used to measure neutron capture events in different samples that are exposed to a neutron beam that is expected to contain up to 10^7 neutrons/(cm^2 sec). The capture cross-sections acquired in this experiment will be relevant to a multitude of different areas, for example to s-process studies, or accelerator-driven systems. The detector array was re-mounted after having been moved from Karlsruhe to Frankfurt and in the course of this process, the detector modules have been checked for their current detection properties. Every module consists of a BaF2 crystal, a photomultiplier tube connected to the crystal by sillicon oil and a voltage divider to drive the PMT, so each of them is already an individual gamma detector. Using Cobalt-60 and Caesium-137 test sources the energy resolution and - more importantly - the time resolution of every module has been determined; the results are presented in this work and compared to previous data taken at the time the detector was built initially in the mid-1980s.
Für das Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), in Darmstadt, wurde ein neuer RFQ zur Beschleunigung schwerer Ionen für den Hochladungsinjektor (HLI) entwickelt. Dieser RFQ hat den bereits vorhandenen ersetzt und soll, für die Anpassung des HLI an die neue 28 GHz-ECR-Ionenquelle, den Duty-cycle von 25 % auf 100 % erhöhen, um superschwere Ionen zu erzeugen und die Experimente mit schweren Ionen zu versorgen. Der RFQ hat die Aufgabe schwere, hochgeladene Ionen von 4 keV/u auf 300 keV/u zu beschleunigen. Wichtige Eigenschaften sind ein hoher Strahlstrom, eine hohe Strahl-Transmission, eine kleine Strahlemittanz und eine geringe transversale Emittanzzunahme. Die Erhöhung der Injektionsenergie von 2,5 keV/u auf 4 keV/u ermöglicht eine Verkleinerung des Konvergenzwinkels. Der Aufbau des 4-Rod-RFQs für den HLI ist Thema der vorliegenden Arbeit. Die Auslegung des HLI-RFQs bezieht sich auf ein festgelegtes max. Masse zu Ladungsverhältnis von A/q = 6, bei einer Betriebsfrequenz von 108,408 MHz. Die Ionen sollen bei einem Strahlstrom von 5 mA von 4 keV/u auf 300 keV/u beschleunigt werden. Durch die spezielle teilchendynamische Auslegung konnte die Länge des Tanks von vorher 3 m auf jetzt 2 m verkürzt werden. Dies begünstigt den CW-Betrieb der Struktur. Durch den CW-Betrieb hat man eine hohe Leistungsaufnahme, dies erfordert eine besondere teilchendynamische und hochfrequenztechnische Auslegung der RFQ-Struktur und eine effiziente Kühlung. Zur Simulation der Hochfrequenzeigenschaften wurde ein Modell des RFQ mit dem Programm Microwave Studio (MWS) erstellt. Die Simulationen ergaben einen nur 2 m langen RFQ mit sehr hoher Transmission > 95%. Nach den entsprechenden Simulationsrechnungen bezüglich der Teilchendynamik und der Hochfrequenzeigenschaften wurde der RFQ aufgebaut. Der zeitaufwändige Aufbau lässt sich in drei Abschnitte einteilen. Die Elektroden wurden präzise ausgemessen. Danach wurden Stützen, Elektroden und Tuningplatten an der Bodenplatte montiert und in den Tank eingesetzt. Im Tank wurden die Elektroden justiert, die zuerst außerhalb vermessen wurden. Die korrekte Position der Elektroden zur Referenzfläche wurde berechnet und mit Hilfe eines Faro-Gage im Tank eingemessen. Die maximale Abweichung der Elektrodenposition konnte auf 0,03 mm reduziert werden. Nach der mechanischen Einrichtung folgte die HF-Anpassung des Resonators. Durch das Erhöhen der Tuningplattenpositionen zwischen den Stützen konnte die Resonanzfrequenz von 90,8 MHz auf 108,4 MHz erhöht werden. Als nächstes wurde die Spannungsverteilung im Tank gemessen und mit Hilfe der Tuningplatten konnte sie so eingestellt werden, dass die maximale Abweichung zur mittleren Elektrodenspannung bei nur ± 2% liegt. Zur weiteren Hochfrequenzabstimmung wurde die Wirkung zweier Tauchkolben mit einem Durchmesser von 75 mm untersucht. Die Tauchkolben ermöglichen eine Anpassung der Frequenz im Bereich von 1,4 MHz. Sie sollen die möglichen Frequenzverschiebungen durch beispielsweise thermische Effekte, auf Grund des HF-Betriebs, regulieren. Für die Hochfrequenzabstimmung wurde eine Ankoppelschleife gefertigt und angepasst. Die Güte des Resonators betrug Q0 = 3100, bei einem RP-Wert RP = 100 kΩm, d.h. die zur Versorgung stehende HF-Leistung (50 kW im CW-Betrieb) reicht aus. An der GSI wurde nach dem Transport eine Kontrolle der Elektroden vorgenommen, danach wurde der RFQ erst einzeln, danach als komplette HLI Einheit getestet. Dazu wurden verschiedene Pulsmessungen und Emittanzmessungen mit Argon 7+ und Argon 8+ durchgeführt. Bei der ersten Strahlinbetriebnahme wurden die Transmission, die Ionenenergie und die Emittanz mit verschiedenen Ionen gemessen. Die ersten Tests des HLI-RFQ waren sehr vielversprechend. In den Tests war zu sehen, dass die vorgenommenen Arbeiten, wie Justage und HF-Abstimmung der Resonanzstruktur, erfolgreich waren. Danach wurde der Strahlbetrieb mit Calcium, bei einer Leistung von 50 kW, durchgeführt. Die gemessene Transmission bei einer Spannung von 43 kV lag bei 70 %. Im Mai 2010 gab es eine 14Stickstoff2+ -Strahlzeit mit einer gepulsten Leistung von N = 90 kW. Danach wurde Anpassungstests mit verschiedenen Schwerionen durchgeführt. Im November 2010 wurden neue Tuningplatten mit einer besseren Stützenkontaktierung sowie einer besseren Kühlung eingebaut. Die Elektroden wurden nach diesen Maßnahmen auf ± 0,04 mm einjustiert. Die Flatness liegt bei ± 2,1 %, die Güte beträgt Q0 = 3300. Der RFQ wurde in die Beamline eingebaut und geht im Januar 2011 in Betrieb.
In dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Konzepte für einen Rebuncher mit mehreren Aperturen auf der Symmetrieachse des geplanten Bunchkompressors für das FRANZ-Projekt untersucht. Die besonderen Anforderungen sind die Zeitstruktur des Strahls und der geringe seitliche Abstand der unterschiedlichen Strahlwege...
For the transport of high-intensity hadron beams in low-energy beam lines of linear accelerators, the compensation of space charge forces by the accumulation of particles of opposite charge is an important effect, reducing the required focusing strength and potentially the emittance growth due to space charge forces. In this thesis, space charge compensation was studied by including the secondary particles in particle-in-cell simulations.
For this purpose, a new electrostatic particle-in-cell code named bender was developed. The software was tested using known self-consistent solutions for an electron plasma confined in an external potential as well as for a KV distributed beam in a periodic focusing lattice. For the simulation of compensation, models for residual gas ionisation by proton and electron impact were implemented.
The compensation process was studied for a 120 keV, 100 mA proton beam transported through a short drift section. Various features in the particle distributions were identified, which can not explained by a uniform reduction in the electric field of the beam. These were tied to the presence of thermal electrons confined within the beam potential. Using the Poisson-Boltzmann equation, their distribution could be reproduced and their influence on the beam for a wider range of parameters studied. However, the observed temperatures show a significant numerical influence. The hypothesis was formed, that stochastical heating present in particle-in-cell simulations is the mechanism leading to the formation of the observed (partial) thermal equilibrium.
For the low-energy beam transport line of the Frankfurt neutron source FRANZ, bender was used to predict the pulse shaping in the novel ExB chopper system. The code was also used for the design and the study of an electron lens for the Integrable Optics Test Accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory. Aberrations due to guiding center drifts and the strong electric field of the electron beam as well as the current limits in such a system were investigated.
Im Rahmen des FRANZ-Projektes wurde nach einer Ionenquelle verlangt welche in der Lage ist einen intensiven hochbrillanten Protonenstrahl von 200 mA bei 120 keV im Dauerstrichbetrieb zur Verfügung zu stellen, bei gleichzeitig niedriger Strahlemittanz. Der recht hohe Protonenstrom von 200 mA stellt dabei eine Herausforderung an den Experimentator dar.
Die grundsätzliche Problematik bei der Entwicklung einer solchen Ionenquelle besteht im Wesentlichen darin, ein geeignetes Extraktionssystem zu designen, welches in der Lage ist den geforderten hohen Protonenstrom zu extrahieren und transportieren. In diesem Zusammenhang wurden Abschätzungen bezüglich des notwendigen Emissionsradius, der elektrischen Feldstärke im Extraktionsspalt sowie des Protonenanteils für den verlangten Protonenstrom von 200 mA durchgeführt. Für die praktische Umsetzung wurden Lösungsstrategien erarbeitet. Ziel war es die elektrische Feldstärke im Gap so hoch wie möglich und den Radius der Emissionsöffnung so klein wie möglich zu wählen, bei gleichzeitig möglichst hohem Protonenanteil. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp der Bogenentladungs-Volumenionenquelle entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen.
Zur Steigerung des Protonenanteils im Wasserstoffplasma wurden diverse Parameter der Ionenquelle optimiert wie bspw. Bogenleistung, Gasdruck sowie insbesondere die Feldverteilung und die magnetische Flussdichte des magnetischen Filters. Diese Ergebnisse wurden mit dem verbesserten theoretischen Modell zur Erzeugung von atomaren Wasserstoffionenstrahlen verglichen. Um die elektrische Feldstärke im Extraktionsspalt zu steigern wurden die Elektroden aus einem thermisch belastbaren Material hergestellt und einer speziellen Oberflächenbehandlung unterzogen. Des Weiteren wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen bezüglich der Emissionsstromdichte und der Strahlqualität durchgeführt. Weiterhin wurde die Emittanz des Ionenstrahls berechnet sowie mit einer eigens am Institut für Angewandte Physik entwickelten Pepperpot-Emittanzmessanlage experimentell bestimmt. Die vorliegende Dissertation präsentiert die Ergebnisse der Entwicklung dieser hocheffizienten Bogenentladungs-Volumenionenquelle.
This thesis is structured into 7 chapters:
• Chapter 2 gives an overview of the ultrashort high intensity laser interaction with matter. The laser interaction with an induced plasma is described, starting from the kinematics of single electron motion, followed by collective electron effects and the ponderamotive motion in the laser focus and the plasma transparency for the laser beam. The three different mechanisms prepared to accelerate and propagate electrons through matter are discussed. The following indirect acceleration of protons is explained by the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. Finally some possible applications of laser accelerated protons are explained briefly.
• Chapter 3 deals with the modeling of geometry and field mapping of magnetic lens. Initial proton and electron distributions, fitted to PHELIX measured data are generated, a brief description of employed codes and used techniques in simulation is given, and the aberrations at the solenoid focal spot is studied.
• Chapter 4 presents a simulation study for suggested corrections to optimize the proton beam as a later beam source. Two tools have been employed in these suggested corrections, an aperture placed at the solenoid focal spot as energy selection tool, and a scattering foil placed in the proton beam to smooth the radial energy beam profile correlation at the focal spot due to chromatic aberrations. Another suggested correction has been investigated, to optimize the beam radius at the focal spot by lens geometry controlling.
• Chapter 5 presents a simulation study for the de-neutralization problem in TNSA caused by the fringing fields of pulsed magnetic solenoid and quadrupole. In this simulation, we followed an electrostatic model, wherethe evolution of both, self and mutual fields through the pulsed magnetic solenoid could be found, which is not the case in the quadrupole and only the growth of self fields could be found. The field mapping of magnetic elements is generated by the Matlab program, while the TraceWin code is employed to study the tracking through magnetic elements.
• Chapter 6 describes the PHELIX laser parameters at GSI with chirp pulse amplification technique (CPA), and Gafchromic Radiochromic film RCF) as a spatial energy resolver film detector. The results of experiments with laser proton acceleration, which were performed in two experimental areas at GSI (Z6 area and PHELIX Laser Hall (PLH)), are presented in section 6.3.
• Chapter 7 includes the main results of this work, conclusions and gives a perspective for future experimental activities.
Mit dieser Arbeit konnte die Funktionsweise von gekoppelten Resonatoren erklärt werden. Das Verhalten von induktiv gekoppelten Beschleunigerkavitäten wurde näher studiert. Dabei wurde verstanden, wie sich Verstimmungen auf die Resonatoren auswirken und was zu tun ist um die Spannungsamplituden des gekoppelten Systems zu beeinflussen. Zudem wurden die Grundlagen für den gekoppelten Betrieb des FRANZ-Beschleunigers gelegt.
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.
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.
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Plasmen koaxialer Beschleuniger in Hinblick auf die Erzeugung hoher Elektronendichten sowie als intensive UV/VUV-Backlighterquelle zu untersuchen. Hierzu wurde zunächst die Geometrie eines einzelnen Beschleunigers charakterisiert und optimiert, um die bestmöglichen Voraussetzungen für die anschließend durchgeführten Untersuchungen zur Kollision und Kompression der erzeugten Plasmen zu schaffen.
Das Funktionsprinzip des verwendeten Plasmabeschleunigers basiert auf einer Lorentzkraft, die aus dem Stromfluss zwischen zwei koaxial angeordneten Elektroden und dem damit verbundenen Magnetfeld resultiert. Da weder Stromdichte noch Magnetfeld homogen sind, wirkt auch die Lorentzkraft inhomogen auf die Plasmaschicht. Unter Einbeziehung von Simulationen wurde der Abstand zwischen den Elektroden auf 2,5 mm gesetzt, sodass die Ausprägung dieser Inhomogenität möglichst gering gehalten wird. Um ein Pinchen des Plasmas am Ende der Elektroden zu vermeiden haben die Elektroden im Gegensatz zu Plasma Focus Devices die gleiche Länge. Der mit 130 nH niederinduktive elektrische Aufbau ermöglicht die zur Ausbildung einer Plasmaschicht erforderlichen Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 10^11 A/s.
Die Messung der Geschwindigkeit der Plasmaschicht erfolgte mit einem Array aus sechs Dioden, die gleichzeitig die Geschwindigkeitsabnahme im Rezipienten dokumentieren. Zusätzlich wurden die Messungen mit Kameraaufnahmen verglichen. Bei einer Elektrodenlänge von 100 mm konnten mit dem verwendeten Heliumgas Schichtgeschwindigkeiten von bis zu (79,49 ± 7,98) km/s erreicht werden. Die Untersuchung von Elektroden mit 200 mm Länge verfolgte das Ziel, durch die größere Beschleunigungszeit höhere Geschwindigkeiten und kinetische Energien der austretenden Plasmaschicht zu erreichen. Es zeigte sich jedoch, dass es hierbei zur Ausbildung einer zweiten Entladung und einer damit verbundenen Abbremsung des Initialplasmas kommt. Die Untersuchungen ergaben, dass die optimale Elektrodenlänge dadurch gegeben ist, dass der Austritt des Plasmas aus dem Beschleuniger zum Zeitpunkt des ersten Stromnulldurchgangs erfolgt. Für die Berechnung der optimalen Elektrodenlänge wurde ein Skalierungsgesetz gefunden, die auf experimentellen Ergebnissen und Simulationen basiert.
Mit spektroskopische Messungen der Stark-Verbreiterung der Hβ-Linie konnte die Elektronendichte des Plasmas zeit- und ortsintegriert bestimmt werden. Die hierbei erzielte Maximaldichte von (6,83 ± 0,83) · 10^15 cm^-3 wurde bei 9 kV und 70 mbar gemessen. Die nach der Boltzmann-Methode zeit- und ortsintegriert bestimmten Elektronentemperaturen bewegt sich bei etwa 1 eV.
Nach ausreichender Charakterisierung des Einzelbeschleunigers wurde das Experiment um einen zweiten, baugleichen Plasmabeschleuniger erweitert, um die planare Kollision zweier Plasmen zu untersuchen. Die maximal gemessene Elektronendichte von n max e = (1,36 ± 0,21) · 10^16 cm^-3 bei 9 kV und 70 mbar stellt im Vergleich zum Einzelplasma eine Steigerung um einen Faktor von 2,48 dar und ist mit einer Temperaturerhöhung einhergehend. Diese Elektronendichteerhöhung lässt sich nicht durch einfaches Durchdringen der Schichten erklären. Vielmehr muss es in der Kollisionszone zu Wechselwirkungsprozesse in Form von Kompression, zur Erzeugung neuer Ladungsträger oder der Kombination aus beidem kommen.
Das Spektrum im UV/VUV-Bereich weist Linien von ab 85 nm auf. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Einzelbeschleuniger dar, bei dem die hochenergetischste Spektrallinie erst bei 97 nm gemessen wurde. In der Kollisionskonfiguration mit einem Beschleunigerabstand von 30 mm steigt die integrierte Gesamtintensität des Spektrums bis 300 nm zudem um einen Faktor von etwa 5,2.
Als Alternative zur Plasmakollision wurde die Kompression des Plasmas des Einzelbeschleunigers durch unterschiedliche Trichtergeometrien untersucht. Die untersuchten Trichter der ersten und zweiten Generation unterscheiden sich im Wesentlichen im Durchmesser der kleineren Öffnung. Dieser wurde basierend auf Simulationen von 5 mm auf 0,5 mm reduziert. Die Dichtediagnostik der ersten Trichtergeneration erfolgte hierbei über Hα-Linie, da die Verbreiterung der Hβ-Linie zu stark und daher nicht mehr anwendbar war. Die Auswertung der Halbwertsbreiten der Hα-Linie führt zu Elektronendichten in der Größenordnung von bis zu 1018 cm−3 bei Spannungen von 9 kV. Diese Steigerung um 1,5 bis 2,5 Größenordnungen im Vergleich zum Einzelbeschleuniger ist deutlich höher als das Verhältnis der Flächen des initialen Plasmas bzw. dem Ende des Trichters von etwa acht.
Der Trichter mit verringerter Öffnung wurde bei 5 kV und 5 mbar vermessen, um die mechanische Belastung durch den hohen Druck gering zu halten. Die Bestimmung der Elektronendichte erfolgte durch die Verbreiterung der Kupferlinie bei 479,4 nm nach den quadratischen Stark-Effekt. Trotz der im Vergleich zur ersten Trichtergeneration reduzierten Entladungsenergie und verringertem Druck sind die gemessenen Elektronendichten ebenfalls bei bis zu 10^18 cm^-3.
Durch die Kompression des Plasmas weist das Spektrum im UV/VUV-Bereich bereits Linien ab Wellenlängen etwa 53 nm auf, wobei es unter Berücksichtigung der Transmissionsgrenze von Helium bei 50 nm denkbar ist, dass das Plasma noch niedrigere Wellenlängen emittiert.
Aufgrund der gesammelten Ergebnisse lässt sich festhalten, dass sich die Elektronendichte sowohl durch die Kollision zweier Plasmen als auch durch die Kompression in Trichtergeometrien steigern lässt. Der Verdichtungseffekt der Trichterkompression ist hierbei um ein vielfaches höher, als bei der Plasmakollision. Dies spiegelt sich auch im UV/VUV-Spektrum wider. Beide Versuchsanordnungen eignen sich als Linienstrahler, allerdings weist das Spektrum der Trichterkompression Linien deutlich höherer Anregungszustände auf.
Mit immer komplexeren Experimenten erhöhen sich die Anforderungen an die Detektoren und diese Arbeit ist ein neuer Beitrag für eine weiterentwickelte technologische Lösung. In der vorliegenden Dissertation wurde eine nichtinvasive optische Strahldiagnose für intensive Ionenstrahlen in starken Magnetfeldern entwickelt. Das optische System besteht aus miniaturisierten Einplatinen CMOS-Kameras. Sowohl die hardwareseitige Entwicklung als auch die softwareseitige Implementierung der Algorithmen zur Kamerakalibrierung, Netzwerksteuerung und Strahlrekonstruktion wurden in dieser Arbeit entwickelt. Die Leistungsstärke dieses neuartigen Diagnosesystems wurde dann experimentell an einem Teststand demonstriert. Dabei wurde das optische System ins Vakuumstrahlrohr eingebettet. Ein Wasserstoffionenstrahl mit einer Energie von 7keV bis 10keV und einem Strahlstrom bis 1mA wurde in einer Stickstoffatmosphäre bis 1E-5 mbar untersucht. Dabei wurde der Ionenstrahl entlang des Strahlrohres des Toroidsegmentmagnetes mit einer Bogenlänge von 680mm mit einem xy-Kamerasystem beobachtet.
Der Strahlschwerpunkt und die Breite des Strahlprofils wurden im Ortsraum rekonstruiert. Die analytisch berechnete und in anderen Arbeiten simulierte Gyrationsbewegung sowie der RxB-Drift des Strahlschwerpunktes konnte experimentell bestätigt werden.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Auslegung des Kickers für den Bunch-Kompressor des FRANZ-Projektes. Anhand eines Modells wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Einkopplung sowie das Feld zwischen den Kondensatorplatten bereits untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird der Kicker mit Hilfe des Programms CST Microwave Studio erstellt und optimiert, sodass er nach Abschluss der Untersuchungen in die Fertigung gehen kann. Dabei ist der erste Schwerpunkt der Untersuchungen die Auslegung und Optimierung der Kondensatorplatten, die für die Auslenkung der Mikro-Bunche im FRANZ-Projekt verantwortlich sind. Zu Beginn der Masterarbeit gab es gezielte Winkelverteilungen, die der Kicker im Rahmen des FRANZ-Projektes erreichen sollte. Nachdem ein Erreichen dieser Werte nur bedingt möglich war, wurden verschiedene Abschnitte des FRANZ-Projektes neu überdacht und die Anforderungen an den Kicker änderten sich dadurch grundlegend. Aus diesem Grund wurde der Kicker zu Beginn der Arbeit für eine Frequenz von 5 MHz ausgelegt, wohingegen er im Rahmen der neuen Anforderungen für eine Resonanzfrequenz von 2,57 MHz ausgelegt wurde. Die Untersuchung der optimalen Resonanzfrequenz für die Anforderungen des Kickers stellt den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit dar.
Ende der 70ger Jahre, fünf Jahre nach der Einführung des ersten kommerziellen, medizinischen Computertomographen wurde die Tomographie am Los Alamos Scientific Laboratory zum ersten Mal für die Diagnose von Teilchenstrahlen angewendet. Bei der Tomographie wird aus eindimensionalen Projektionen, sogenannten Profilen, welche in möglichst vielen Winkeln um ein Objekt herum aufgenommen werden, ein zweidimensionales Abbild der Dichteverteilung (Slice oder Scheibe) approximiert. Dies ist möglich durch das bereits 1917 von Johann Radon eingeführte Fourier-Scheiben-Theorem. In der Theorie kann die zwei-dimensionale Dichteverteilung exakt ermittelt werden, wenn Projektionen mit einer unendlich feinen Auflösung über unendlich viele Winkel um ein Objekt herum in die Rekonstruktion einbezogen werden. Durch die Rekonstruktion vieler Scheiben kann ein drei-dimensionales Abbild der Dichteverteilung in einem Objekt, in diesem Fall einem Ionenstrahl, berechnet werden, sofern dieses nicht optisch dicht ist.
Die Profile in der nicht-invasiven Strahldiagnose entstehen durch CCD-Kameraaufnahmen von strahlinduzierter Fluoreszenz, welche durch den Einlass von Restgas hervorgerufen wird. Es sind aber auch Profile, welche aus anderen Methoden gewonnen werden (z.B. Gittermessungen) denkbar. An Orten mit hoher Energie ist jedoch eine nicht-invasive Form der Profilaufnahme sowohl für die Qualität des Strahls, wie auch den Schutz der Messgeräte unabdingbar.
In den letzten 40 Jahren wurden im Bereich der Strahltomographie viele wichtige Fortschritte erzielt:
1. Anfangs standen nur sehr wenige Profile zur Verfügung, so dass die Methode der gefilterten Rückprojektion(FBP), welche sich direkt aus dem Fourier-Scheiben-Theorem ableitet und welches auch in der Medizin verwendet wird, nicht angewendet werden kann. Um dieses Problem zu lösen wurden iterative Methoden wie die Algebraische Rekonstruktion (ART) und die Methode der Maximalen Entropie (MEM) für die Strahltomographie erschlossen, so dass auch mit sehr geringer Profilanzahl eine Rücktransformation möglich wurde.
2. Neben der Ortsraumtomographie wurde die Phasenraumtomografie entwickelt, so dass mittlerweile eine Rekonstruktion des sechs-dimensionalen Phasenraumes möglich ist, mit welchem ein Ionenstrahl in seiner Gesamtheit beschrieben werden kann.
3. Die Projektionen wurden lange Zeit durch Aufnahmen von mehreren festen Anschlüssen aus gewonnen (Multi-Port-Technik). Auf diese Weise ist die Anzahl der möglichen Projektionen sehr begrenzt. So entwickelte man später eine Methode welche den Strahl mit Hilfe von Quadrupolen dreht (Quad-Scan-Technik), so dass auf diese Weise von einem Anschluss aus viele Projektionen gemessen werden konnten, so dass sogar die FBP angewendet werden konnte.
4. Die meisten Bestrebungen zielten darauf ab, die Tomographie für eine nicht-invasive Emittanzmessmethode zu nutzen, welches bis heute aufgrund der großen und noch immer zunehmenden Energien in modernen Beschleunigern ein wichtiges Problem ist. Um die Tomographie zur Emittanzmessung zu verwenden, führt man eine Rekonstruktion des Phasenraumes durch. Das Problem ist, dass hierfür das a priori Wissen über die Strahltransportmatrix in die Tomographie mit einfließt, die berechnete Strahltransportmatrix
jedoch nicht mit dem tatsächlichen Strahltransport übereinstimmt, da dieser bei hohen Energien durch auftretende Raumladung nicht-linear verändert wird. Hierzu wurden gute Fortschritte in der Abschätzung der tatsächlichen Transportmatrix gemacht um die Phasenraumtomographie trotzdem mit hinreichend gutem Ergebnis durchführen zu können.
Trotz all dieser Fortschritte und Entwicklungen ist die Tomographie bis heute keine weitverbreitete Methode in der Strahldiagnose. Der Grund ist, dass das Einrichten einer Tomografie eine komplexe Abfolge etlicher Entscheidungen und weitgestreutes Wissen aus vielen unterschiedlichen Bereichen erfordert, dieser nicht zu unterschätzende Mehraufwand jedoch auch durch einen signifikanten Nutzen gerechtfertigt sein muss. Der große Nutzen der Tomographie für die Strahldiagnose und Untersuchung der Strahldynamik ist bis heute allerdings weitgehend unerkannt und weiterhin reduziert auf die Entwicklung einer nicht-invasiven Methode für die Emittanzbestimmung. Ein zweites Hindernis stellte bisher auch die Diskrepanz zwischen Genauigkeit und Platzaufwand dar (hohe Genauigkeit durch viele Projektionen mit Quad-Scan-Technik auf mehreren Metern oder niedrige Genauigkeit durch wenig Projektionen mit Multi-Port-Technik auf weniger als einem Meter). Die Tomografie kann großen Nutzen leisten für die Online-Überwachung wichtiger Maschineneparameter im Strahlbetrieb (Monitoring) als auch für detaillierte Analysen zur Strahldynamik (Modellierung) weit über die Implementierung einer nicht-invasiven Emittanzmessmethode hinaus.
Um dies zu gewährleisten Bedarf es Zweierlei. Zum einen muss die Diskrepanz zwischen Genauigkeit und Platzaufwand aufgehoben werden. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine rotierbare Vakuumkammer entwickelt die nach dem Vorbild medizinischer Tomographen in mehr als 5000 Winkelschritten um den Strahl herum fahren kann, dabei ein Vakuum von mindestens 10-7mbar aufrecht erhält und einen Platzbedarf von weniger als 400 mm in der Strahlstrecke einnimmt. Zum anderen muss die Implementierung der Tomografie durch eine Angabe von schematischen Schritten und Entscheidungen vereinfacht werden. Eine Strahltomographie muss immer auf ihren jeweiligen Zweck hin implementiert werden, da Einzelelemente der Tomografie wie beispielsweise Messvorrichtung und dadurch die Profilanzahl, zu verwendender Tomographiealgorithmus, zu bestimmende Parameter sich je nach Einsatz unterscheiden können. Jedoch können die dazu nötigen Entscheidungen in ein Schema eingeordnet werden, welches die Implementierung der Tomographie vereinfacht und beschleunigt. Hierzu wurde in dieser Arbeit eine Diagnosepipeline und ein Entscheidungsschema eingeführt, sowie die Implementierung nach diesem Schema am Beispiel einer Strahltomographie für die Frankfurter Neutronenquelle (FRANZ) demonstriert und die entsprechenden Fragen und Entscheidungen diskutiert. Es wird gezeigt, wie sich aus den Messdaten über die Aufbereitung der Daten durch die Tomografie die erforderlichen Standardstrahlparameter für ein Monitoring gewinnen lassen. Zusätzlich wird ein Ebenen-Modell eingeführt, über welches nicht-Standardparameter oder neu modellierte Strahlparameter für detaillierte Analysen der Strahldynamik über die Standardparameter hinaus entwickelt werden können. Diese Arbeit soll ein grundlegendes Konzept für die routinemäßige Implementierung der Tomographie in der Strahldiagnose zur Verfügung stellen. Für die Verwendung zum Monitoring im Strahlbetrieb muss die Bestimmung von Standardparametern noch wesentlich im Zeitaufwand verbessert werden. Die Verwendung der Phasenraumtomographie benötigt noch eine Idee um den arcustangensförmigen Verlauf der berechneten Phasenraumrotationswinkel mit der Forderung der FBP nach äquidistanten Projektionswinkeln verträglicher zu machen.
Die vorliegende Arbeit handelt von der Entwicklung, dem Bau, den Zwischenmessungen sowie den abschließenden Tests unter kryogenen Bedingungen einer neuartigen, supraleitenden CH-Struktur für Strahlbetrieb mit hoher Strahllast. Diese Struktur setzt das Konzept des erfolgreich getesteten 19-zelligen 360 MHz CH-Prototypen fort, der einen weltweiten Spitzenwert in Bezug auf Beschleunigungsspannung im Niederenergiesegment erreichte, jedoch wurden einige Aspekte weiterentwickelt bzw. den neuen Rahmenbedingungen angepasst. Bei dem neuen Resonator wurde der Schwerpunkt auf ein kompaktes Design, effektives Tuning, leichte Präparationsmöglichkeiten und auf den Einsatz eines Leistungskopplers für Strahlbetrieb gelegt. Die Resonatorgeometrie besteht aus sieben Beschleunigungszellen, wird bei 325 MHz betrieben und das Geschwindigkeitsprofil ist auf eine Teilcheneingangsenergie von 11.4 MeV/u ausgelegt. Veränderungen liegen in der um 90° gedrehten Stützengeometrie vor, um Platz für Tuner und Kopplerflansche zu gewährleisten, und in der Verwendung von schrägen Stützen am Resonatorein- und ausgang zur Verkürzung der Tanklänge und Erzielung eines flachen Feldverlaufs. Weiterhin wurden pro Tankdeckel zwei zusätzliche Spülflansche für die chemische Präparation sowie für die Hochdruckspüle mit hochreinem Wasser hinzugefügt. Das Tuning der Kavität erfolgt über einen neuartigen Ansatz, indem zwei bewegliche Balgtuner in das Resonatorvolumen eingebracht werden und extern über eine Tunerstange ausgelenkt werden können. Der Antrieb der Stange soll im späteren Betrieb wahlweise über einen Schrittmotor oder einen Piezoaktor stattfinden. Für ein langsames/ statisches Tuning kann der Schrittmotor den Tuner im Bereich +/- 1 mm auslenken, um größeren Frequenzabweichungen in der Größenordnung 100 kHz nach dem Abkühlen entgegenzuwirken. Das schnelle Tuning im niedrigen kHz-Bereich wird von einem Piezoaktor übernommen, welcher den Balg um einige µm bewegen kann, um Microphonics oder Lorentz-Force-Detuning zu kompensieren. Der Resonator wird von einem aus Titan bestehendem Heliummantel umgeben, wodurch ein geschlossener Heliumkreislauf gebildet wird.
Derzeit befinden sich mehrere Projekte in der Planung bzw. im Bau, welche auf eine derartige Resonatorgeometrie zurückgreifen könnten. An der GSI basiert der Hauptteil des zukünftigen cw LINAC auf supraleitenden CH-Strukturen, um einen Strahl für die Synthese neuer, superschwerer Elemente zu liefern. Weiterhin könnte ein Upgrade des vorhandenen GSI UNILAC durch den Einsatz von supraleitenden CH-Resonatoren gestaltet werden. Zudem besteht die Möglichkeit, die bisherige Alvarez-Sektion des UNILAC alternativ durch eine kompakte, supraleitende CH-Sektion zu realisieren. Ebenfalls sollen die beiden parallelbetriebenen Injektorsektionen des MYRRHA-Projektes durch den Einsatz von supraleitenden CH-Strukturen erfolgen.
Es wurde eine neue Routine zur Berechnung der Raumladungskräfte basierend auf einer schnellen Fourier-Transformation entwickelt und in das Teilchensimulationsprogramm LORASR integriert. Dadurch werden einzelne oder bis zu mehreren 100 Simulationen im Batch-Modus mit je 1 Million Makroteilchen und akzeptablen Rechenzeiten ermöglicht. Die neue Raumladungsroutine wurde im Rahmen der Europäischen „High Intensity Pulsed Proton Injectors” (HIPPI) Kollaboration erfolgreich validiert. Dabei wurden verschiedene statische Vergleichstests der Poisson-Solver und schließlich Vergleichsrechnungen entlang des Alvarez-Beschleunigerabschnittes des GSI UNILAC durchgeführt. Darüber hinaus wurden Werkzeuge zum Aufprägen und zur Analyse von Maschinenfehlern entwickelt. Diese wurden erstmals für Fehlertoleranzstudien an der IH-Kavität des Heidelberger Therapiebeschleunigers, am Protonen-Linearbeschleuniger für das FAIR Projekt in Darmstadt sowie am Vorschlag eines supraleitenden CH-Beschleunigers für die “International Fusion Materials Irradiation Facility” (IFMIF) eingesetzt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Hochfrequenzabstimmung und den Feldoptimierungen zweier Linearbeschleunigerstrukturen für eine in der Entwicklung befindliche Forschungsanlage an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main. Ein 4-Rod-RFQ sowie ein IH-Driftröhrenbeschleuniger sollen gekoppelt betrieben, d.h. nicht wie üblich von zwei, sondern nur von einem Hochfrequenz-Sender mit Leistung versorgt werden. Hierdurch lässt sich nicht nur der benötigte Platz reduzieren, sondern auch ein beträchtlicher Teil der Kosten des Projekts einsparen. Um das Verhalten der gekoppelten Beschleuniger genauer vorhersagen zu können, wurden Untersuchungen an bereits gebauten Modellen im Maßstab 1:2 durchgeführt und diese vermessen. Eine Methode zur systematischen Anpassung der Feldverteilung in 4-Rod-RFQs wurde darüber hinaus am einzeln betriebenen RFD-Modell angewandt und optimiert, sowie ein Algorithmus zur Automatisierung entwickelt. Parallel laufende Computersimulationen ermöglichten Vergleiche zu den realen Messwerten. Darüberhinaus konnten Rückschlüsse auf die Genauigkeit der Simulationen am Computermodell gezogen und hier liegende Herausforderungen, auch in Bezug auf die bei FRANZ zum Einsatz kommenden Beschleunigerstrukturen, näher untersucht werden. Hieraus resultierende Empfehlungen für das Design der FRANZ-IH-Struktur konnten gegeben werden und wurden bereits umgesetzt.
Nichtinvasive Detektoren für ortsaufgelöste Strahlprofilmessungen gewinnen mit zunehmenden Strahlströmen und -energien immer mehr an Bedeutung. An der Universität Frankfurt im Institut für Angewandte Physik (IAP) wird ein “Figure Eight”-förmiger magnetostatischer Speichering mit Stellarator-Konfiguration (F8SR) entwickelt. Einige Aspekte der Strahldynamik in einem solchen Ring können mit einem experimentellen Aufbau am IAP untersucht werden. Die Herausforderung bei der Entwicklung eines Detektors an einem (F8SR) liegt auf der einen Seite darin den Strahl nichtinvasiv zu detektieren, und andererseits müssen magnetisch unempfindliche Komponenten für den Detektor ausgewählt werden. Dabei sollte der Detektor so flexibel sein, dass der Strahl entlang der Flugbahn transversal gemessen werden kann. In dieser Arbeit geht es um einen Detektor mit radial um den Strahl angeordneten Photodioden, mit deren Hilfe die strahlinduzierte Fluoreszenz detektiert wird und mit einem geeigneten Rekonstruktionsverfahren, Strahlposition und den Strahldurchmesser ermittelt werden kann. Die Messungen werden mit einem weiteren schon erprobten Detektor - einem Szintillationsschirm verglichen.
Die vorliegende Dissertation stellt die Strahldynamikdesigns zweier Hochfrequenzquadrupol-Linearbeschleuniger bzw. Radio Frequency Quadrupoles (RFQs) vor: das fur den RFQ des Protonen-Linearbeschleunigers (p-Linac) des FAIR2-Projekts an der GSI3 Darmstadt sowie einen ersten Designentwurf für einen kompakten RFQ, der u.a. zur Erzeugung von Radioisotopen für medizinische Zwecke genutzt werden könnte. Der Schwerpunkt liegt auf dem ersten Design.
This dissertation describes the development of the beam dynamics design of a novel superconducting linear accelerator. At a main operating frequency of 216.816 MHz, ions with a mass-to-charge ratio of up to 6 can be accelerated at high duty cycles up to CW operation. Intended for construction at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, the focus of the work is on the beam dynamic design of the accelerator section downstream of the high charge injector (HLI) at an injection energy of 1.39 MeV/u. An essential feature of this linear accelerator (Linac) is the use of the EQUUS (Equidistant Multigap Structure) beam dynamics concept for a variably adjustable output energy between 3.5 and 7.3 MeV/u (corresponding to about 12.4 % of the speed of light) with a required low energy spread of maximum 3 keV/u.
The GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research is a large-scale research facility that uses its particle accelerators to perform basic research with ion beams. Research on super-heavy elements ("SHE") is a major focus. It is expected that their production and research will provide answers to a large number of scientific questions. The production and detection of elements with atomic numbers 107 to 112 (Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Röntgenium and Copernicium) was first achieved at GSI between 1981 and 1996.
Key to this remarkable progress in SHE research were continuous developments and technical innovations. On the one hand, in the field of experimental sensitivity and detection of the nuclear reaction products and, on the other hand, in the field of accelerator technology.
For the acceleration of the projectile beam, the UNILAC (Universal Linear Accelerator), which was put into operation in 1975, has been used at GSI so far. In the course of the reconstruction and expansion of the research infrastructure at GSI, a dedicated new particle accelerator, HELIAC (Helmholtz Linear Accelerator), is now under development to meet the special requirements of the beam parameters for the synthesis of new superheavy elements. Typically, the production rates of super-heavy elements with effective cross sections in the picobarn range are very low. Therefore, a high duty cycle (up to CW operation) is a key feature of HELIAC. Thus, the required beam time for the desired nuclear reactions can be significantly shortened.
Theoretical preliminary work by Minaev et al. and newly created knowledge about design, fabrication, and operation of superconducting drift tube cavities have laid the foundation for this work and thus the development of the HELIAC linear accelerator. It consists of a superconducting and a normal conducting part. Acceleration takes place in the superconducting part in four cryomodules, each about 5 m long. These contain three CH cavities, one buncher cavity, two solenoid magnets for transverse beam focusing, and two beam position monitors (BPMs).
The following 10 m long normal conducting part is primarily used for beam transport and ends with a buncher cavity. This is operated at a halved frequency of 108.408 MHz.
A key feature of this accelerator is the variability of the output energy from 3.5 to 7.3 MeV/u with a small energy uncertainty of ±3 keV/u maximum over the entire output energy range. For the development of HELIAC, the EQUUS beam dynamics concept used combined the advantages of conventional linac designs with the high acceleration gradients of superconducting CH-DTLs. By doubling the frequency (compared to the GSI high charge injector) to 216.816 MHz in the superconducting section and using CH cavities at an acceleration gradient of maximum 7.1 MV/m, an acceleration efficiency with superconducting drift tube structures that is unique in the world is made possible. At the same time, the compact lengths of the CH cavities ensure good handling for both production and operation. EQUUS leads to longitudinal beam stability in all energy ranges of the accelerator with the sliding motion of the synchronous phase within each CH cavity. The rms emittance growth is moderate in all levels. The modular design of the HELIAC with four cryomodules basically allows the Linac to be commissioned starting with the first cryomodule, the so-called Advanced Demonstrator. In the subsequent expansion stage with only the first two cryomodules of HELIAC, the lower limit of the energy range to be provided by HELIAC (3.5 MeV/u) can already be clearly exceeded, so that use in regular beam operation at GSI is already conceivable from here on.
By means of error tolerance studies, the stability of the HELIAC beam dynamics design against possible alignment errors of the magnetic focusing elements and accelerator cavities as well as errors of the electric field amplitudes and phases have been investigated, basically confirmed and critical parameters have been determined. An additional steering concept via dipole correction coils at the solenoid magnets allows transverse beam control as well as diagnostics by means of two BPMs per cryomodule.
With completion of this work in 2021, the CH1 and CH2 cavities have already been built and are in the final preparation and cold test phase. In parallel, the development of the CH cavities CH3-11 has also been started.
Die vorliegende Arbeit stellt Design, Aufbau und erste experimentelle Testergebnisse einer integrierten RFQ-Driftröhrenkombination für den Einsatz im Injektorbereich einer klinischen Synchrotronanlage zur Behandlung von Tumorerkrankungen mit Ionenstrahlen vor. Das Hauptziel der Bemühungen war, eine sehr kompakte und auf die gestellten Aufgaben hoch spezialisierte Lösung zu finden, die den täglichen Anforderungen im Klinikbetrieb gerecht wird. Zuverlässigkeit, einfache Bedienbarkeit und möglichst geringe Betriebskosten standen dabei im Vordergrund und führten letztlich zu einer nur 1,40 m langen Kombination der beiden Beschleunigerkomponenten, die üblicher Weise in zwei getrennten Kavitäten mit separater Leistungsversorgung, separater Steuerung und mit deutlich mehr Platzbedarf untergebracht sind. Im Zuge der Designarbeiten wurde insbesondere das Programm PARMPRO den hier aufgetretenen aktuellen Problemstellungen angepasst. Die Berechnung der Wechselwirkung von Ionen bei raumladungsdominierten Teilchenstrahlen wurde korrigiert, das Programm um ein Transportelement zu Transformation geladener Teilchen durch eine frei wählbare Potentialverteilung erweitert und mit einem neu entwickelten Programmteil wurden die zur Fertigung notwendigen Daten generiert. Die Optimierung der Strukturparameter mit Hilfe einer externen Visual-Basic-Anwendung zum automatischen Optimieren der Strukturdaten mit Hilfe von PARMPRO war ein Schritt auf dem Wege zum endgültigen, an die Eingangsstrahldaten und an die Erfordernisse der darauffolgenden IH-Struktur angepassten Elektrodendesign. Nach den Simulationsrechnungen erfolgten Referenzmessungen an entsprechenden Modellaufbauten insbesondere mit einem computergesteuerten Störkörpermessstand, zur experimentellen Bestimmung der Spannungsverhältnisse an der jeweils zu untersuchenden Strukturvariante. Auf diesen Ergebnissen basiert das endgültig entwickelte Resonatorkonzept der RFQ-Driftröhrenkombination. Das Kapitel "Aufbau des Medizin-RFQs" behandelt die Konstruktion und die technische Umsetzung des erarbeiteten Beschleunigerkonzepts. Einzelnen Beschleunigerkomponenten wie Tank, Elektroden, Resonatorstruktur, Bunchereinheit und deren Fertigungsprozesse werden vorgestellt, Arbeitsschritte wie das Verkupfern des Tanks in der Galvanik der GSI oder das Verfahren zum Versilbern von Kontaktteilen im hauseigenen Labor werden beschrieben. Es folgt eine Diskussion des Justierkonzepts und der Maßnahmen zur Einhaltung der erforderlichen Genauigkeiten von ca. 20 mm, um die berechnete Strahlqualität zu gewährleisen. Abschließend werden die Ergebnisse erster HF-Testmessungen auf Messsenderniveau beschrieben. Hier wurden zunächst experimentell grundlegende Resonatoreigenschaften wie etwa Resonanzfrequenz, Güte und Parallelersatzwiderstand bestimmt. Danach wurde ein spezielles Störkörpermessverfahren angewandt, um den über die Montagehöhe der Driftröhre einstellbaren Spannungsbereich der Bunchereinheit zu erfassen, da die geometrischen Verhältnisse einen computergesteuerten Messstand wie er zur Untersuchung der Modellaufbauten herangezogen wurde nicht zuließen. Abschließend erfolgte ein Abstimmen der Spannungsverteilung entlang der RFQ-Elektroden. Diese experimentellen Ergebnisse belegen eindrucksvoll die Funktionsfähigkeit der RFQ-Driftröhrenkombination, so ist insbesondere die erforderliche Buncherspannung auf einer mittleren Montagehöhe der spannungsführenden Driftröhre zu erreichen, die durch die zusätzlich Driftröhrenkapazität hervorgerufene Verzerrung der Spannungsverteilung auf den Elektroden lässt sich über die höhenverschiebbaren Kurzschlussplatten gut korrigieren. Das erarbeitete Gesamtkonzept dieser neuartigen, sehr kompakten RFQ-Driftröhrenkombination ist auch für andere Anwendungsbereiche sehr attraktiv, so dass bereits ein Patent darauf angemeldet wurde. Damit ist das Ziel, eine RFQ-Driftröhrenkombination für die medizinische Beschleunigeranlage in Heidelberg aufzubauen erreicht. Strahltests und die experimentelle Bestimmung der Phasen- und Energiebreite des Ionenstrahls sind als nächstes vorgesehen.
Es wurde für Protonen- und Deuteronenbeschleuniger unter Extrembedingungen (hoher Ionenstrom, Dauerstrichbetrieb, Niedrigenergieabschnitt) ein Vergleich zwischen der konventionellen RFQ-Alvarez-DTL-Kombination und einer erstmals am IAP für diese Zwecke entwickelten RFQ-H-DTL-kombination durchgeführt. Insbesondere die Auslegung der Teilchendynamik von HF-Driftröhrenlinearbeschleunigern und RFQ's für leichte Ionen unter Miteinbeziehung der Raumladung und der Forderung nach Dauerstrichbetrieb sind Thema der vorliegenden Arbeit. Die vorgestellten Beschleuniger müssen extrem hohen Anforderungen an Transmission (Stromverlustrate << 3 µ A/m nach dem RFQ), Stabilität (stetige Strahldynamik bei Strahlfehlanpassung und Berücksichtigung von mechanischen und optischen Toleranzen), Anlagensicherheit ("Hands-on-Kriterium") und -zuverlässigkeit (Anlagenverfügbarkeit > 80 %) bei hoher HF-Effizienz (optimierte Shuntimpedanzen, Laufzeitfaktoren und Oberflächenstromdichten) genügen. Es wurden exemplarisch im Rahmen von zwei aktuellen Hochstromprojekten mit Dauerstrichbetrieb teilchendynamische DTL-Entwürfe für den mittleren Energiebereich (0.1 = ß = 0.34) durchgeführt: einmal für das ADS/XADS Projekt (Hier: 40 mA, 350/700 MHz 24 MW, Protonen, CW) und als extremes Beispiel das IFMIF Projekt (125 mA, 175 MHz, 5 MW, Deuteronen, CW). Da IFMIF hinsichtlich Transmissionseffizienz und Strahlstrom in Verbindung mit einem 100 %-Tastverhältnis wohl einzigartig ist, mussten besonders intensive Anstrengungen für den Test der Robustheit des teilchendynamische Entwurfs der DTL-Strukturen unternommen werden. Hierzu wurde der gesamte Injektorpart vom Eingang des Referenz Four-Vane-RFQ bei 0.1 MeV bis zum Ausgang des DTL bei 40 MeV als ganzes simuliert, unter Einbeziehung von optischen, HF- und mechanischen Toleranzen. Diese Rechnungen machten deutlich, dass die Einbringung einer kompakten Strahltransportstrecke (MEBT) zwischen RFQ und DTL notwendig ist, um den Strahl transversal und longitudinal ohne Teilchenverluste an den nachfolgenden DTL anzupassen. Man gewinnt dadurch auch zusätzliche Möglichkeiten für Strahljustierung und -diagnose. Infolgedessen gehört ein MEBT mittlerweile zum Referenz-Design, welches einen 175 MHz Four-Vane-RFQ als Vorbeschleuniger vorsieht und nach dem MEBT einen 175 MHz Alvarez-DTL mit FoDo-Fokussierschema. Die Designkriterien für IFMIF gelten uneingeschränkt auch für das ADS/XADS Projekt und infolgedessen wurde ebenfalls erstmals eine Auslegung des Mittelenergieabschnitts des ADS/XADS-Beschleunigers, der unmittelbar nach dem 350 MHz RFQ bei 5 MeV anfängt und bis ~ 100 MeV reicht, mit der neuen supraleitende CH-Struktur unternommen. Der Hochenergiebereich von 100 MeV bis 600 MeV wird im Referenzentwurf mit den bereits bewährten supraleitenden elliptischen Kavitäten mit einer Resonanzfrequenz von 700 MHz abgedeckt [ADS]. Die umfangreichen Untersuchungen inklusive Toleranzabschätzungen ergaben, dass eine Kette von zehn supraleitenden CH-Resonatoren mit Zwischentankfokussierung (Ausnahme das Modul 1) für diese Anwendung bestens geeignet ist. Des weiteren ergab sich, dass ein Frequenzsprung auf 700 MHz nach dem 6-ten CH-Modul bei einer Energie von ~ 56 MeV die Beschleunigungs- und HF-Effizienz erhöht. Außerdem wird dadurch der Strahl ideal an den Hochenergieabschnitt angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Driftröhrenlinearbeschleunigerstrukturen vorgestellt (normal leitender IH-DTL, supraleitender CH-DTL), die für bis zu 10 MW Strahlleistung, 125 mA Strahlstrom und höchsten Tastverhältnissen geeignet sind. Ferner konnte durch geschickte Wahl der Strukturparameter und Arbeitspunkte eine gute Teilchendynamik mit einem moderaten Emittanzwachstum erzielt werden: Strahltransport und -beschleunigung ohne Teilchenverluste, starke transversale und longitudinale Fokussierung, große Aperturfaktoren und höchste HF-Effizienz sind gleichzeitig erreichbar. Somit stellen die neuen H-Moden Driftföhrenbeschleuniger vor allen Dingen in der supraleitenden Ausführung (CH-DTL) eine tragfähige Basis für alle weiteren geplanten Hochintensitätsbeschleunigeranlagen dar.
Studies on the focusing performance of a Gabor lens depending on nonneutral plasma properties
(2013)
The concept of the Gabor lens goes back to an idea by Dennis Gabor, who proposed a magnetron-type trap as an effective diverging lens for electron beams (collecting lens for positive ion beams).
Electrons confined inside the lens volume by orthogonal magnetic and electric fields, create an electric space charge field that causes a radial symmetric focusing force on an ion beam passing through the lens volume.
Since the beginning of the 1990s, a new design of this lens type as well as numerical models to describe the confined plasma cloud have been developed at the Institute for Applied Physics (IAP, Johann Wolfgang Goethe-University Frankfurt).
Thanks to an improved understanding of the plasma confinement as a function of the external fields, two lenses have successfully been tested for low beam currents and remain in operation.
In the scope of this work, the performance of a prototype Gabor lens for the transport of intense, i.e. space charge dominated ion beams, was investigated at the High Current Test Injector (HOSTI) of GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH for the first time.
To ensure an optimal focusing performance of the Gabor lens a homogeneous and stable electron confinement is required. Therefore, new non-interceptive diagnostic methods were developed to investigate the parameters and state of the confined nonneutral plasma column as a function of the external fields.
An essential part of the studies was the time-resolved diagnostic of an occurring plasma instability and the determination of the electron temperature via optical spectroscopy. The latter necessitated the detailed investigation of atomic excitation as well as the measurement of optical-emission cross sections.
A comparison of the results from both experiments i.e. the beam transport measurements at GSI and the diagnostic experiments performed at IAP concerning the plasma state, gave first indications of possible interaction processes between the nonneutral plasma and the ion beam.
With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die systematischen Anfangsverluste im SIS18 zu minimieren. Das SIS18 soll als Injektor für das SIS100 in der neuen geplanten FAIR-Anlage eingesetzt werden und dafür die Strahlintensität erhöht werden. Eine wesentliche Rolle spielen das dynamische Vakuum im SIS18 und die anfänglichen Strahlverluste, verursacht durch Multiturn-Injektions- (MTI) oder HF-Einfangsverluste. Um den dynamischen Restgasdruck im SIS18 zu stabilisieren, müssen diese systematischen Anfangsverluste minimiert werden. Strahlteilchen, welche auf der Vakuumkammerwand verloren gehen, führen durch ionenstimulierte Desorption zu einem lokalen Druckanstieg. Dies wiederum erhöht die Wahrscheinlichkeit für Stöße zwischen Restgasteilchen und Strahlionen, wodurch diese umgeladen werden können und nach einem dispersiven Element (Dipol) auf der Vakuumkammer verloren gehen. Dies produziert einen weiteren lokalen Druckanstieg und verursacht eine massive Erhöhung der Umladungsraten. Eine Möglichkeit, die anfänglichen Verluste zu minimieren bzw. zu kontrollieren, ist die MTI-Verluste auf den Transferkanal (TK) zu verlagern, da dort ein Druckanstieg den umlaufenden Strahl im SIS18 nicht stört. Im Transferkanal werden die Strahlränder mit Hilfe von Schlitzen beschnitten und somit eine scharf definierte Phasenraumfläche erzeugt. ...
Development of the timing system for the Bunch-to-Bucket transfer between the FAIR accelerators
(2017)
The FAIR project is aiming at providing high-energy beams of ions of all elements from hydrogen to uranium, antiprotons and rare isotopes with high intensities. The existing accelerator facility of GSI and the future FAIR facility employ a variety of circular accelerators like heavy ion synchrotrons (SIS18 and SIS100) and storage rings (ESR, CRYRING, CR and HESR) for the preparation of secondary beams and experiments. Bunches are required to be transferred into rf buckets among GSI and FAIR ring accelerators for different purposes. Without the proper transfer, the beam will be subject to various beam quality deterioration and even to beam losses. Hence, the proper bunch-to-bucket (B2B) transfer between two rings is of great importance for FAIR and is the topic, which has been investigated in this thesis.
These circular accelerators of GSI and FAIR have different ratios in their circumference. For example, the circumference ratio between SIS100 and SIS18 is an integer and between SIS18 and ESR is close to an integer and between CR and HESR is far away from an integer. The ring accelerators are connected via a complicated system of beam transfer lines, targets for the secondary particle production and the high energy separators mentioned above. For FAIR, not only the primary beams are required to be transferred from one ring to another, but also the secondary beams, e.g. the antiproton or rare isotope beams produced by the antiproton (pbar) target, the fragment separator (FRS) or the superconducting fragment separator (Super-FRS). An important topic for this system of accelerators is the proper transfer of beam between the different circular accelerators. Bunches of one ring must be transferred into buckets of another ring within an upper bound time constraint (e.g. 10 ms for most FAIR use cases) and with an acceptable B2B injection center mismatch +-1 degree for most FAIR use cases). Hence, a flexible FAIR B2B transfer system is required to realize the different complex B2B transfers between the FAIR rings in the future. In the focus of the system development and of this thesis is the transfer from SIS18 to SIS100, which can be tested at GSI on the transfer from SIS18 to ESR and from ESR to CRYRING. The system is based on the existing technical basis at GSI, the low-level radio frequency (LLRF) system and the FAIR control system. It coordinates with the Machine Protection System (MPS), which protects SIS100 and subsequent accelerators and experiments from damage caused by high intensity primary beams in case of malfunctioning. Besides, it indicates the beam status and the actual beam injection time for the beam instrumentation and diagnostics.
The conceptual realization of the FAIR B2B transfer system was introduced in this thesis for the first time. It achieves the most FAIR B2B transfers with a tolerable B2B injection center mismatch (e.g. +-1 degree) and within an upper bound time (e.g. 10 ms). It supports two synchronization methods, the phase shift and frequency beating methods. It is flexible to support the beam transfer between two rings with different ratios in their circumference and several B2B transfers running at the same time, e.g. the B2B transfer from SIS18 to SIS100 and at the same time the B2B transfer from ESR to CRYRING. It is capable to transfer beam of different ion species from one machine cycle to another and to transfer beams between two rings via the FRS, the pbar target and the Super-FRS. It allows various complex bucket filling pattern. In addition, it coordinates with the MPS system, which protects the SIS100 and subsequent accelerators or experiments from beam induced damage.
A list of criteria for the preservation of beam qualities during the rf frequency modulation of the phase shift method was analyzed. As an example the beam reaction on three different rf frequency modulation examples were analyzed for SIS18 beams. According to the beam dynamic analysis, there is a maximum value for the rf frequency modulation. The first derivative of the rf frequency modulation must be continuous and small enough and the second derivative must be small enough.
In addition to the analysis from the viewpoint of beam dynamics, two test setups were built. The first test setup was used to characterize the FAIR timing network – white rabbit network for the B2B transfer. In the second test setup, the firmware of the FAIR B2B transfer system was evaluated, which was running on the soft CPU, LatticeMico32, of the Scalable Control Unit - the FAIR standard Front End Controller. Besides, the boundary conditions of the different trigger scenarios of the SIS18 extraction and SIS100 injection kicker magnets were investigated. Finally, the application of the FAIR B2B transfer system for all FAIR use cases was demonstrated.
The dissertation plays a significant important role for the realization of the FAIR B2B transfer system and the further practical application of the system to all FAIR use cases.
In this thesis, a novel 257 kHz chopper device was numerically developed, technically designed and experimentally commissioned; a 4-solenoid, low-energy ion beam transport line was numerically investigated, installed and experimentally commissioned; and a novel massless beam-separation system was numerically developed.
The chopper combines a pulsed electric field with a static magnetic field in an ExB or Wien-filter type field configuration. Chopped beam pulses with a 257 kHz repetition rate and rise times of 110 ns were experimentally achieved using a 14 keV helium beam.
Due to the achieved results, the complete LEBT line for the future Frankfurt Neutron Source FRANZ is ready to deliver a dc or a pulsed beam. At the same time, the LEBT section represents an attractive test stand for the study of low-energy ion beams. It combines magnetic lenses, which allow space-charge compensated beam transport, and a chopper system capable of producing short beam pulses in the hundred nanosecond range. Since these beam pulses are transported onwards, their longitudinal and transverse properties can be analyzed. The pulse duration and time of flight are well below the rise time for the space-charge compensation through residual gas ionization. This opens the possibility for dedicated investigations of the transport of short, low-energy beam pulses including longitudinal and transverse space-charge effects and of relevant issues like the dynamics of space-charge compensation and electron effects in short pulses.
Design and optimization of the lattice of the superconducting synchrotron SIS300 for slow extraction
(2011)
The superconducting synchrotron SIS300 is planned to be built at the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), at GSI-Darmstadt [1]. SIS300 will be a versatile machine, which by means of a low-energy stretcher-mode or a high-energy ramped-mode will provide slowly extracted heavy ion beams towards the experimental areas. To reach the required maximum field of 4.5 T, cos(θ) magnets are necessary. Thus, SIS300 will become the first superconducting synchrotron worldwide with cos(θ) magnets providing resonant slow extraction.
Since SIS300 will be installed in the same tunnel as the SIS100 synchrotron, the dipole layout of SIS300 cannot be freely chosen. Thus, a standard lattice cannot be applied. A redesign of the SIS300 lattice accepting compromises concerning the positions and phase advances between the optical elements has been proposed. Using the analytical model of the slow extraction, firstly proposed by Kobayashi, and the analytical description of the resonance driving modes, a multiobjective optimization algorithm has been developed for the optimization of the lattice under the given boundary conditions. The final goal of the lattice optimization is a higher efficiency of the slow extraction. The results are evaluated by means of tracking simulations performed with the code Elegant.
The field quality in superconducting cos(θ) magnets is determined by the positions of the superconducting cable and the static and time-dependent effects of the current in the cable. Furthermore, the fast ramp rates of 1 T/s in the dipoles, which are fifty times faster than in any other superconducting cos(θ) magnet, together with the fact that the aperture is smaller than in conventional accelerator magnets, makes it extremely difficult to obtain a high-quality magnetic field. The unavoidable field errors affect the beam dynamics and worsen the slow extraction efficiency. Therefore, the field errors in the SIS300 dipoles have been estimated, and their effects have been taken into account in the optimization algorithm. As a result a compensation scheme has been proposed, in which time-dependent gradients in the sextupoles counteract the decay of the sextupole field errors in the dipole magnets during the slow extraction. For the limits where the compensation was no longer possible, tolerances to the magnet field errors have been determined.
Die minoren Aktinoiden dominieren auf lange Sicht die Radioaktivität des gesamten abgebrannten Brennstoffes und können somit, obwohl sie nur etwa 0,2 % davon ausmachen, als die Hauptverursacher der Endlagerproblematik betrachtet werden.
Neben einer möglichen Endlagerung und den damit verbundenen Problemen, bietet die Transmutation eine Alternative im Umgang mit dieser Art der radioaktiven Abfälle. Hierbei werden die minoren Aktinoide durch Neutroneneinfang zur Spaltung angeregt, wodurch sowohl deren Halbwertszeit, als auch deren Radiotoxizität deutlich reduziert werden soll.
Innerhalb des in der vorliegenden Arbeit vorgestellten MYRRHA-Projektes, das im belgischen Mol realisiert werden soll, soll gezeigt werden, dass die Transmutation in einem industriellen Maßstab möglich ist. Bei MYRRHA handelt es sich um ein sog. ADS (Accelerator Driven System), bei dem ein 4 mA Protonenstrahl mit 600 MeV in einem Target aus LBE (Lead-Bismuth Eutectic) per Spallation Neutronen erzeugen soll, die für die Transmutation in einem ansonsten unterkritischen Reaktor notwendig sind. Da eine solche Anlage enorme Ansprüche an die Zuverlässigkeit des Teilchenstrahls stellt, um den thermischen Stress innerhalb des Reaktors so gering wie möglich zu halten, werden auch hohe Ansprüche an die verwendeten Kavitäten innerhalb des Beschleunigers gestellt.
Besonderes Augenmerk muss hierbei auf den Injektor gelegt werden. In diesem wird der Protonenstrahl auf 16,6 MeV beschleunigt, wobei in seinem aktuellen Design nur noch normalleitende Kavitäten verwendet werden.
Als erstes beschleunigendes Bauteil nach der Ionenquelle fungiert hier ein im Rahmen der vorliegenden Arbeit gebauter 4-Rod-RFQ, dessen HF-Design auf dem bereits am IAP getesteten MAX-Prototypen basiert.
Für den MYRRHA-RFQ konnte eine neue Art der Dipolkompensation für 4-Rod-RFQs entwickelt werden, die bereits in anderen Beschleunigern, wie etwa dem neuen HLI-RFQ-Prototypen eingesetzt werden konnte. Hierbei werden die Stützen, auf denen die Elektroden befestigt werden alternierend verbreitert, um so den Strompfad zum niedrigeren Elektrodenpaar zu verlängern, wodurch sich die dortige Spannung erhöht. Im Zuge dieser Entwicklung wurden Simulations- und Messmethoden erarbeitet, um den Dipolanteil sowohl an bereits gebauten, wie auch an zukünftigen 4-Rod-RFQs untersuchen zu können. Der Erfolg dieser neuartigen Dipolkompensation konnte in den Low-Level-Messungen, die sich an den Zusammenbau des MYRRHA-RFQs anschlossen, validiert werden.
Die CH-Sektion, die im MYRRHA-Injektor auf den RFQ und die MEBT folgt, besteht aus insgesamt 16 normalleitenden Kavitäten. Sie gliedert sich in sieben beschleunigende CHs, auf die ein CH-Rebuncher und weitere acht beschleunigende CHs folgen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde - aufbauend auf bereits vorhandenen Entwürfen - das Design der ersten sieben CH-Strukturen des MYRRHA-Injektors erstellt und hinsichtlich seiner HF-Eigenschaften optimiert.
Die dabei während den Simulationen zu CH1 auftretende Problematik einer parasitären Tunermode konnte durch zahlreiche Simulationen umgangen werden.
Weiter wurde das aus der FRANZ-CH bekannte Kühlkonzept überarbeitet, um eine hohe thermische Stabilität gewährleisten zu können, wobei mehrere verschiedene Konzepte entwickelt, simuliert und bewertet wurden.
Das so entwickelte HF- und Kühldesign der ersten sieben MYRRHA-CHs dient als Vorlage für die weiteren MYRRHA-CHs sowie für zukünftige Beschleunigerprojekte, wie etwa HBS am Forschungszentrum Jülich.
Im Anschluss an die Designphase wurden die ersten beiden CH-Strukturen des Injektors und ein zusätzlicher dickschichtverkupferter Deckel für CH1 von den Fimen NTG und PINK gefertigt und anschließend Low-Level-Messungen unterzogen, in denen die Simulationsergebnisse bestätigt werden konnten, während diese Messungen zusätzlich als Vorbereitung für die Konditionierung dienten.
Sowohl der MYRRHA-RFQ, als auch die CH-Strukturen wurden nach ihren jeweiligen Low-Level-Messungen duch eine Konditionierung auf den späteren Strahlbetrieb vorbereitet.\\
Die Konditionierung des MYRRHA-RFQ erfolgte in zwei Phasen. Zunächst wurde er in der Experimentierhalle des IAP im cw-Betrieb vorkonditioniert, bevor er nach Louvain-la-Neuve transportiert wurde. In der dort fortgesetzten Konditionierung, die sowohl gepulst, als auch im cw-Betrieb erfolgte, konnten im Rahmen dieser Arbeit 120 kW cw stabil eingkoppelt werden, wobei diese transmittierte Leistung später noch vom SCK auf bis zu 145 kW cw gesteigert wurde. Nach Abschluss der Konditionierung konnten sowohl vom IAP, als auch vom SCK Röntgenspektren aufgenommen werden, um so die Shuntimpedanz bestimmen zu können. Die Ergebnisse dieser Messungen zusammen mit der alternativen Bestimmung der Shuntimpedanz über den R/Q-Wert wurden ebenfalls in dieser Arbeit besprochen.
Die CH-Kavitäten wurden im Bunker der Experimentierhalle des IAP konditioniert, wobei zusätzlich neue Konditionierungsmethoden erarbeitet und erprobt werden konnten. In den abschließenden Untersuchungen, die sich an jede der drei Konditionierungen anschlossen, konnten Erkenntnisse über das thermische Verhalten der CHs, sowie über den Einfluss verschiedener Verschaltungen des Kühlsystems darauf gewonnen werden, die bei der Installation auch zukünftiger CHs von Nutzen sein werden.
Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen.
Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet.
Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert.
Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019).
Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden.
Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ.
Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.
Bei der GSI – Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt wird im Rahmen des HITRAP-Projekts ein linearer Abbremser für schwere, hochgeladene Ionen für atomphysikalische Präzisionsexperimente in Betrieb genommen. Während der Inbetriebnahme wurden transversale Emittanzmessungen mit der Pepperpot- und der Multi-Gradienten-Methode durchgeführt, um die Emittanz des aus dem Experimentierspeicherring (ESR) extrahierten Strahls zu messen. Weiterhin wurde auch die Phasenraumverteilung des auf eine Zwischenenergie von 500keV/u abgebremsten Strahls hinter der IH-Struktur gemessen. Dazu wurden neue Auswertealgorithmen in die Analyse der digitalen Bilder integriert. Die longitudinalen Bunchstrukturmessungen des Strahls am Eintrittspunkt in den Abbremser und die Funktionsweise des Doppel-Drift Bunchers wird gezeigt. Die Konzeption und der Aufbau sowie die erste Inbetriebnahme einer neuartigen Einzelschuss-Pepperpot-Emittanzmessanlage für kleinste Strahlströme und -energien wird beschrieben, die es ermöglichen, den Strahl hinter den Abbremskavitäten zu vermessen. Zusätzlich wurden transversale Strahldynamikrechnungen durchgeführt, welche theoretische Grundlagen zur Inbetriebnahme von HITRAP lieferten. Es wird beschrieben, wie die gesamte Strahllinie vom ESR bis zum Radio-Frequenz Quadrupol nach der erfolgreichen Integration einer Abbremsroutine innerhalb des Softwarepakets COSY Infinity optimiert werden kann.
Entwicklung und Test einer supraleitenden 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt an der GSI
(2016)
In den letzten Jahrzehnten vergrößerten sich die Anwendungsgebiete von Linearbeschleunigern für Protonen und schwere Ionen, insbesondere im Nieder- und Mittelenergiebereich, stetig. Der überwiegende Teil dieser mittlerweile bewährten Anwendungen lag im Bereich der Synchrotroninjektion oder der Nachbeschleunigung von radioaktiven Ionenstrahlen. Darüber hinaus wird seit einiger Zeit die Entwicklung neuartiger, supraleitender Hochleistungslinearbeschleunigerkavitäten stark vorangetrieben, welche vor allem bei der Forschung an Spallationsneutronenquellen, in der Isotopenproduktion oder bei der Transmutation langlebiger Abfälle aus Spaltreaktoren Anwendung finden sollen. Die am Institut für Angewandte Physik der Goethe-Universität Frankfurt entwickelte CH-Kavität ist optimal für den Einsatz in derartigen Hochleistungsapplikationen geeignet. Sie ist die erste Vielzellenstruktur für den Nieder- und Mittelenergiebereich und kann sowohl normal- als auch supraleitend verwendet werden. Bislang konnten in der Vergangenheit ein supraleitender 360 MHz CH-Prototyp sowie eine für hohe Leistungen optimierte supraleitende 325 MHz CH-Struktur erfolgreich bei kryogenen Temperaturen ohne Strahl getestet werden. Um die Forschung im Bereich der Kernphysik, der Kernchemie und vor allem im Bereich der superschweren Elemente auch in Zukunft weiter fortzusetzen, ist der Bau eines neuen supraleitenden, dauerstrichbetriebenen Linearbeschleunigers an der GSI geplant. Das Kernstück des zukünftigen cw-LINAC basiert auf dem Einsatz supraleitender 217 MHz CH-Kavitäten, mit deren Hilfe ein adäquater Teilchenstrahl mit
maximal 7,5 MeV/u für die SHE-Synthese bereitgestellt werden soll. Auf dem Weg zur Realisierung des geplanten cw-LINACs wurde im Zuge des Demonstrator-Projektes die Umsetzung der ersten Sektion des gesamten Beschleunigers beschlossen. Der Fokus des Projektes liegt auf der Demonstration der Betriebstauglichkeit innerhalb einer realistischen Beschleunigerumgebung sowie insbesondere auf der erstmaligen Inbetriebnahme einer supraleitenden CH-Kavität mit Strahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die erste supraleitende 217 MHz CH-Kavität für das Demonstrator-Projekt entwickelt, produziert und ihre Hochleistungseigenschaften in einem vertikalen Kryostaten bei 4,2 K getestet. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf der HF-Auslegung der Kavität, den begleitenden Tuningmaßnahmen während der Produktion sowie den ersten Leistungstests unter kryogenen Bedingungen. Weitere Schwerpunkte lagen auf der kompakten Bauweise, dem effektiven Tuning, der Oberflächenpräparation sowie auf dem Strahlbetrieb der Kavität mit einem dauerstrichfähigem 5 kW Hochleistungskoppler. Die Umsetzung
der Kavität beruhte auf dem geometrischen Konzept der supraleitenden, siebenzelligen 325 MHz CH-Struktur.
Ihre elektromagnetische und strukturmechanische Auslegung erfolgte mittels der Simulationsprogramme ANSYS Multiphysics und CST Studio Suite. Um während des Test- bzw. Strahlbetriebs mit der entsprechend notwendigen Kopplungsstärke die HF-Leistung in die Kavität einzuspeisen, wurden unterschiedliche Kopplerantennen für den jeweiligen Fall ausgelegt. Zum Erreichen der geforderten Zielfrequenz wurde ein Verfahren erarbeitet, welches die hierfür notwendigen Mess- und Arbeitsschritte während der einzelnen
Produktionsphasen beinhaltet. Diesbezüglich wurden während der Produktion der Kavität eine Reihe von Zwischenmessungen beim Hersteller durchgeführt, um den Frequenzverlauf innerhalb der jeweiligen Fertigungsschritte entsprechend beeinflussen zu können
und um vorangegangene Simulationswerte zu validieren. Alle untersuchten Parameter konnten während der Messungen in guter Übereinstimmung zu den Simulationen reproduziert und die Zielfrequenz der Kavität schließlich erreicht werden. Nach Abschluss der letzten Oberflächenpräparationen wurde die Kavität in einer neuen kryogenen Testumgebung innerhalb der Experimentierhalle des IAP für einen vertikalen Kalttest vorbereitet.
Daraufhin erfolgte das Evakuieren der Kavität, das Abkühlen auf 4,2 K sowie ihre Konditionierung. Anschließend erfolgte die Bestimmung der intrinsischen Güte der Kavität.
Sie betrug 1,44 x 10E9 und besitzt somit den bisher höchsten Gütewert, der jemals bei einer supraleitenden CH-Struktur erreicht wurde. Es konnte ein maximaler Beschleunigungsgradient von 7 MV/m im Dauerstrichbetrieb erreicht werden, was einer effektiven Spannung von 4,2 MV entspricht. Die zugehörigen magnetischen und elektrischen Oberflächenfelder lagen bei 39,3 mT bzw. 43,5 MV/m. Ein thermaler Zusammenbruch konnte während des gesamten Leistungstests nicht festgestellt werden, was auf eine gute thermische Eigenschaft der Kavität hindeutet. Allerdings zeigte der gemessene Verlauf ein frühes Abfallen der Güte ab 2,5 MV/m, was durch anormale Leistungsverluste aufgrund von Feldemission hervorgerufen wurde. Dies war aufgrund der unzureichenden Oberflächenbehandlung der Kavität zu erwarten, da die Hochdruckspülung aus technischen Gründen nur entlang der Strahlachse erfolgte. Dennoch konnte die Designvorgabe des geplanten cw-LINACs hinsichtlich der Güte bei 5,5 MV/m um einen Faktor 2 übertroffen werden.
Die positiven Ergebnisse der Simulationsrechnungen und der Messungen zeigen, dass die Anforderungen des Demonstrator-Projekts, insbesondere hinsichtlich des benötigten Beschleunigungsgradienten, mittels der entwickelten supraleitenden 217 MHz CH-Kavität erfüllt werden. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit maßgeblich an der Umsetzung des Demonstrator-Projekts bzw. an der Realisierung des geplanten cw-LINACs beigetragen und der Weg für einen Strahlbetrieb der Kavität vorbereitet.
The realization of a fast and robust closed orbit feedback (COFB) system for the on-ramp orbit correction at SIS18 synchrotron of FAIR project is reported in this thesis. SIS18 has some peculiar behaviors including on-ramp optics variation, very short lengths of the ramps (200 ms to 1 s) and a cycle-to-cycle variation of beam parameters. The realized fast COFB system being robust against above mentioned features of SIS18 is a first of its kind and the course to its realization led to some novel contributions in the field of closed orbit correction. A new method relying on the discrete Fourier transform (DFT)-based decomposition of the orbit response matrix (ORM) has been introduced, exploiting the symmetry in the arrangement of beam position monitors (BPMs) and the corrector magnets in the synchrotrons. A nearest-circulant approximation has also been introduced for synchrotrons having slight deviation from the symmetry, making the method applicable to a vast majority of synchrotrons. Moreover, the performance and the stability analysis of COFB systems in the presence of ORM mismatch between the synchrotron and the feedback controller is presented. The COFB systems are divided into slow and fast regimes and a new stability criterion consistent with measurements, is introduced. The practicality of the criterion is verified experimentally at COSY Jülich and is used for the analysis of various sources of ORM mismatch at SIS18. The commissioning of the SIS18 COFB system is also reported in detail which relies on Libera Hadron as the main hardware resource for the controller implementation. The on-ramp orbit correction is demonstrated for the horizontal plane of SIS18, for the disturbance rejection up to 600 Hz.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Erforschung eines konzeptionell neuartigen Injektionssystems zum Transport von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen. Die Forschungsarbeit ist dabei Teil des Figure-8 Speicherringprojekts (F8SR) des IAP, bei welchem es um die Erforschung der Physik und die Entwicklung eines niederenergetischen, supraleitenden, magnetostatischen Figure-8 Hochstromspeicherrings geht. Dieser neuartige Speicherring ermöglicht aufgrund des Einsatzes von fokussierenden solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern das Speichern von Strahlströmen von bis zu einigen Ampere. Diese Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten zu diesem Themenfeld auf, in welchen die Grundlagen und Ausgangsparameter für die experimentelle Untersuchung der Injektion gelegt und mit dem Aufbau des Injektionsexperiments begonnen wurde.
In dieser Dissertation wird den Fragen nachgegangen, ob ein magnetisches Konzept des Injektionssystems mittels eines „Scaled-Down“-Experiments experimentell umsetzbar ist und ob mit diesem die Injektion von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen realisiert werden kann. Ziel ist es dabei, ein Injektionssystem aufzubauen, durch welches sowohl ein seitlich injizierter Injektionsstrahl, welcher den in den Speicherring zu injizierenden Strahl darstellt, als auch ein gleichzeitig durch die toroidalen Magnetfelder driftender Ringstrahl, welcher den im Speicherring zirkulierenden Strahl darstellt, ohne Verluste transportiert werden können. Das Injektionssystem besteht dabei aus drei normalleitenden Magneten, wobei es sich um zwei baugleiche 30 Grad Toroide sowie einen Solenoid handelt. Die Toroide bilden den Transportkanal für den Ringstrahl, während der Injektionssolenoid senkrecht zwischen den beiden Toroiden endet und den Injektionskanal für den Injektionsstrahl darstellt.
Zunächst wurde das Injektionssystem mittels Strahltransportsimulationen untersucht und aufbauend auf den Ergebnissen die benötigen Vakuumkomponenten sowie der Injektionsmagnet ausgelegt, entwickelt und umgesetzt. Anschließend wurde mit dem fertigstellten Injektionsexperiment der Transport von zwei Ionenstrahlen durch das Injektionssystem experimentell erforscht. Dabei wurden die Strahlpfade mit einem in Entwicklung befindlichen Kameradetektorsystem aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen und das Strahlverhalten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern phänomenologisch analysiert und diskutiert, mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen sowie theoretisch bzgl. der RxB Drift und eines Gedankenmodells eingeordnet. Die technische Umsetzung, Inbetriebnahme und Durchführung verschiedener Vorabexperimente bzgl. weiterer Komponenten des Injektionsexperiments (bspw. Ionenquellen und Filterkanäle) ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit.
Bei den experimentellen Untersuchungen mit Wasserstoff- und Heliumionenstrahlen konnte beobachtet werden, wie der Injektionsstrahl in den zweiten Toroid driftet und somit erfolgreich injiziert wird. Des Weiteren wurde eine Heliummessung durchgeführt, bei der sowohl der Injektionsstrahl als auch der Ringstrahl erfolgreich durch das Injektionssystem transportiert werden konnten. Auch die Auswirkungen des Injektionsmagneten auf den Ringstrahl konnten experimentell untersucht werden. Die verschiedenen Messungen wurden mittels des Gedankenmodells diskutiert und mit den Ergebnissen der Simulationen sowie untereinander verglichen.
Das abschließende Ergebnis dieser Arbeit ist, dass durch den Einsatz von solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern der Injektionsstrahl vom Injektionsmagneten in den zweiten Toroid transportiert und dieser somit in die gekoppelte magnetische Konfiguration der Toroide eingelenkt werden kann. Der gleichzeitige verlustfreie Transport eines Ringstahls durch das Injektionssystem konnte dabei ebenfalls realisiert werden. Des Weiteren stimmen die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sowie die theoretischen Überlegungen überein.
Das neuartige Injektionskonzept, welches als Schlüsselkomponente für die Umsetzung des Figure-8 Hochstromspeicherrings benötigt wird, wurde somit mittels Theorie, Simulation und Experiment überprüft und die Funktionalität bestätigt.
Zukünftige Forschungsfragen für welche der Figure-8 Hochstromspeicherring verwendet werden könnte, bspw. aus den Bereichen der experimentellen Astrophysik oder Fusionsforschung, wurden abschließend diskutiert.
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.
Für Experimente der Atomphysikgruppe der GSI in Darmstadt wird ein Ionenabbremser gebaut, der niederenergetische, extrem hochgeladene Ionen zur Verfügung stellen wird. Die Planungen zu der soganennten HITRAP (highly charged ion's trap) begannen Anfang der neunziger Jahre. Mit dieser Anlage sollen hochgeladene, schwere Ionen auf sehr niedrige, thermische Geschwindigkeiten in zwei Stufen abgebremst und für hochpräzise Massenspektroskopie, Messungen des g-Faktors des gebundenen Elektrons wasserstoffähnlicher Ionen und andere atomphysikalische Experimente zur Verfügung stehen. Diese Deceleratoranlage soll zunächst im Reinjektionskanal hinter dem ESR aufgebaut werden, mit der Möglichkeit, alle Komponenten später beim Ausbau der GSI im Rahmen des FAIR-Projektes in der neu zu errichtenden Anlage für niederenergetische Antiprotonen und Ionen zu verwenden. Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und den Aufbau eines integrierten RFQ-Debuncher-Abbremsbeschleunigers, der einen Teil der HITRAP-Abbremsstrukturen darstellt. Mit diesem wird der Ionenstrahl, vom IH-Abbremsbeschleuniger mit einer Energie von 5oo keV/u kommend auf 6 keV/u abgebremst. Mit dem integrierten Spiralbuncher kann der Strahl in Energie und Energieabweichung an die nachfolgende Kühlerfalle angepasst werden. Es wurden in dieser Arbeit die Grundlagen der Teilchendynamik in einem RFQ-Beschleuniger zum Abbremsen von Teilchenstrahlen erarbeitet und umgesetzt, die zur Auslegung einer solchen Struktur notwendigen Teilchendynamikrechnungen mit RFQSim durchgeführt, geeignete Hf-Strukturen mit dem Simulationsprogramm Microwave Studio entwickelt und untersucht, sowie die thermische Belastung der Strukturen mit dem finite Elementeprogramm ALGOR untersucht. Ein weiterer zentraler Punkt dieser Arbeit ist der Aufbau und die Hf-Abstimmung der RFQ-Struktur, um eine möglichst homogene Feldverteilung entlang der Elektroden zu erreichen. Messungen der Felder im RFQ wurden mit einem Störkondensator, am Debuncher mit einem Störkörper durchgeführt. Nach erfolgreich durchgeführten Vakuumtests am IAP ist die RFQ-Debuncher-Kombination nun bereit für erste Hochleistungstests an der GSI.
Untersuchungen zur zerstörungsfreien Emittanzmessung an einem negativen Wasserstoffionenstrahl
(2007)
Die Arbeit beschäftigte sich sowohl theoretisch wie auch praktisch mit einem neuartigen Konzept zur Strahldiagnose — der zerstörungsfreien Emittanzmessung für negative Ionenstrahlen. Bei H¯ Strahlen kann auf mechanische Bauteile verzichtet werden, wenn bei einem kleinen Teil der H¯ Ionen das zusätzliche, nur mit 0,754 eV schwach gebundene Elektron durch Photodetachment abgelöst wird. Die neutralisierten H¯ Ionen können magnetisch oder elektrostatisch von den Elektronen und den verbliebenen H¯ Ionen separiert werden. Insbesonders die Neutralteilchen bieten sich zur Bestimmung der Phasenraumverteilung des Ionenstrahls an, da der Impulsübertrag bei der Photoneutralisation für die vorliegende Anwendung vernachlässigbar ist. Die Detektion des Divergenzwinkels kann durch einen Szintillator mit einer CCD–Kamera erfasst werden. Ein Modell zur Berechnung der Anzahl der neutralisierten Teilchen ist unter der Annahme homogener Dichteverteilungen entwickelt worden, um Aussagen zu den Anforderungen an Lasersystem und Detektor zu machen. Dabei zeigt sich die besondere Eignung des Meßverfahrens für Strahlstöme und Strahlparameter, wie sie typischerweise nach einem RFQ vorliegen. Da im Gegensatz zur Schlitz–Schlitz Emittanzmessung wird hier die Winkeldetektion mit einem ortsauflösenden Szintillator durchgeführt. Daraus ergibt sich als neues Verfahren eine Schlitz–Punkt Abbildung. Im Vergleich zum Schlitz–Schlitz Messprinzip können damit mehr Informationen über die Phasenraumverteilung gewonnen werden. Um diese neue Abbildungsfunktion zu untersuchen, ist eine Methode zur Simulation der Winkeldetektion entwickelt worden. In den Simulationen ist angenommen worden, daß der Schlitz bzw. Laser analog zur Messung einer yy´ Emittanz entlang der y–Achse durch den Ionenstrahl gefahren wird, die ausgeschnittene Teilchenverteilung ist bis zum Ort des Szintillators transportiert worden. Dabei sind etliche Zusammenhänge der Abbildungsfunktion zwischen den 2dim Phasenraumprojektionen yy´ , xx´ und der Verteilung der neutralisierten Ionen auf dem Teilchendetektor aufgezeigt worden. Dabei läßt sich nachweisen, daß die Aberrationen aus der anderen transversalen Ebene (x–Ebene) die Verteilungsfunktion mit beeinflusst. Für die experimentellen Untersuchung der Photodetachment Strahldiagnose wurde eine Beamline aus Ionenquelle mit Dumpingsystem, differentiellem Pumptank und Linsensystem aufgebaut. Dabei wurde bei einer vorhandenen H¯ Quelle der Strom von anfänglich 70 mycroA auf 2,5 mA gesteigert. Das Dumpingsystem erwies sich als sehr effektiv und lenkte bis zur Nachweisgrenze alle zusätzlich extrahierten Elektronen aus dem Strahl aus. Die Komponenten und der gesamte Aufbau zur Photodetachment Strahldiagnose schließen den Dipol bzw. die Konstruktion der Vakuumkammer zur Ladungsseparation, die Auswahl eines geeigneten Szintillators und die Bestimmung der Laserstrahlparameter und dessen Strahlwegs mit ein. Bei den Experimenten zur Photoneutralisation konnte eindeutig das Meßsignal dem Photodetachment zugeordnet werden. Auch die Linearität des Szintillators konnte eindeutig gezeigt werden. Ebenfalls konnte die Beeinflussung der Einzellinsen auf den Ionenstrahl an Hand neutralisierter Teilchen gezeigt werden: Bei Vergrößerung der Brechkraft wurde der zunächst große Strahldruchmesser mit einem Intensitätsmaximum im Strahlkern zu einer hohlstrahlähnlichen Verteilung mit einem Peak in der Strahlmitte und am Strahlrand fokussiert. Bei weiterer Steigerung der Linsenspannung ließ sich die Intensität im Strahlrand wieder reduzieren. Durch die Veränderung der y–Position wurden Winkelprofile mit den zuvor gemessenen Schlitz–Schlitz Emittanzfiguren verglichen. Dabei konnte der Divergenzwinkel und auch die Lage des Strahlkerns im Rahmen der Meßgenauigkeit sehr gut wiedergegeben werden. Andererseits zeigten sich deutliche Unterschiede bei der Auswertung der Intensitäten. Dies ist zum Teil auf die schlechte Wiedergabe eines Holhlstrahls durch eine zweidimensionale Phasenraumprojektion yy´ zu erklären. Außerdem ist der Ionenstrahl durch die kleine Bauhöhe der Magnetkammer kollimiert worden, was den Strahl im Vergleich zu den vorherigen Schlitz–Schlitz Emittanzmessungen nachhaltig beeinflusst hat. Dagegen wiesen im direkten Vergleich, nämlich der zweidimensionalen, „wahren“ Ortsverteilung des Ionenstrahls am Szintillator mit den aufaddierten Neutralteilchen–Verteilungen, beide Verteilungen sehr ähnliche Muster auf. Die Messungen sind fast ausnahmslos an stark aberrationsbehafteten Ionenstrahlen durchgeführt worden. Dabei konnte die in den Simulationen der Abbildungseigenschaften gefundenen geschlossenen, achtförmigen Verteilungen unter Berücksichtigung der begrenzten Nachweisempfindlichkeit des Detektors sehr gut nachvollzogen werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des Prototypen einer supraleitenden CH-Beschleuniger-Struktur. Viele zukünftige Beschleunigeranlagen benötigen ein hohes Tastverhältnis bis hin zum so genannten cw-Betrieb. Dies würde bei normalleitenden Beschleunigern zu sehr großer Wärmeentwicklung führen, welche durch aufwendige Verfahren weggekühlt werden müsste. Da dies meistens gar nicht mehr möglich ist, kommen in solchen Bereichen heutzutage schon häufig supraleitende Beschleuniger zum Einsatz. Große Projekte, die im Hochenergiebereich auf die Supraleitung setzten, sind die SNS Beschleunigeranlage in Oak Ridge (Inbetriebnahme läuft) und das RIA-Projekt, welches radioaktive Isotope beschleunigen soll. Auch zukünftige Projekte, wie ein cw-Linac zur SHE-Synthese, EUROTRANS und IFMIF, sind ohne supraleitende Komponenten nur schwer vorstellbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die anderen zur Familie der so genannten H-Moden-Beschleuniger gehörenden Resonatoren kurz vorgestellt. Danach wurde eine Einführung in die Supraleitung mit den wichtigsten Parametern für Niob und den HF-Eigenschaften von Supraleitern gegeben. Um Beschleuniger zu charakterisieren wurde in einem weiteren Kapitel ein überblick über wichtige Kenngrößen gegeben. Dabei wurde auch ein Vergleich der Skalierung von verschiedenen Parametern zwischen Normalleitung und Supraleitung gegeben. Da die Simulationsrechnungen mit dem Programm CST MicroWave Studio durchgeführt wurden, wurden die Grundlagen dieses Programms ebenfalls eingeführt. Es basiert auf der Finiten Integrationstheorie, welche die Maxwell-Gleichungen in eine Zwei-Gitter-Matrixform überführt, damit diese numerisch gelöst werden können. In einem weiteren Kapitel wurde eine Methode zur Bestimmung der Einkopplungsstärke in einen Resonator näher beschrieben. Dabei wurde auf zwei wesentliche Einkopplungsarten, die induktive und die kapazitive, im Detail eingegangen. Die Bestimmung der so genannten externen Güte stellt einen wesentlichen Punkt dar, um die Leitung, die durch einen Sender und Verstärker zur Verfügung gestellt wird, möglichst optimal in den Beschleuniger einzuführen. Wobei auch hierbei wieder auf die Unterschiede zwischen einer Einkopplung in einen normalleitenden und einen supraleitenden Beschleuniger eingegangen wurde. Bei einer supraleitenden Struktur erfolgt die Einkopplung in der Regel überkoppelt. Dies bedeutet, dass man durch zu starke Einkopplung die belastete Güte des Systems herabsetzt, damit eine bessere Regelung möglich ist. Um eine numerische Methode auf ihre Tauglichkeit hin zu testen, wurde zuerst eine Pillbox genommen, um die simulierten Ergebnisse mit einer Messung zu vergleichen. Als sich dabei sehr gute Ergebnisse herausstellten, wurde die Methode noch an einem Kupfermodell einer CH-Struktur verifiziert, bevor die Einkopplung für den supraleitenden Prototyp berechnet wurde. Im 7. Kapitel dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen, die vorher geschaffen wurden, für die Optimierung des Prototyps der supraleitenden CH-Struktur angewendet. Dabei ging es um die Optimierung der Feldverteilung auf der Strahlachse durch Anpassung des Endzellendesigns, der Stützenoptimierung, um die magnetischen und elektrischen Spitzenfelder zu reduzieren, einer Untersuchung des Quadrupolanteils in den Spalten der CH-Struktur, der Einkopplung und schließlich um die Möglichkeit des statischen Tunings während der Fertigstellung der Struktur. Auf Grund dieser Untersuchungen wurde schließlich die Fertigstellung eines ersten supraleitenden Prototyps bei der Firma ACCEL in Bergisch-Gladbach in Auftrag gegeben. Diese Struktur wurde in mehreren Kalttests untersucht. Dabei konnten die vorher durch die Simulation festgelegten Designparameter sehr gut verifiziert werden. In den beiden letzten Kapiteln wurden noch Simulationen für eine im Betrieb befindliche Beschleunigeranlage durchgeführt und ein Ausblick auf mögliche Einsatzgebiete der supraleitenden CH-Struktur gegeben. Die durchgeführten Optimierungen für den Hochstrominjektor führten zu einem stabileren Betrieb der Anlage. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass die neuentwickelte CH-Struktur für den Einsatz in supraleitenden Beschleunigern sehr gut geeignet ist. Sie stellt eine sehr kompakte Struktur dar und bietet somit auf kurzer Stecke eine hohe Beschleunigung. Sie ist im Bereich von 10-30% Lichtgeschwindigkeit die einzige supraleitende Vielzellenstruktur.
Im Jahr 2000 wurde am Soreq Nuclear Research Center in Yavne bei Tel Aviv, Israel, der Neubau der Forschungsanlage SARAF (Soreq Applied Research Accelerator Facility) begonnen. Mit dem Bau der Anlage sollen neue Forschungsfelder erschlossen, sowie die vorhandenen Experimente erweitert werden, der Forschungsreaktor IRR1 und die vorhandenen Beschleunigeranlagen werden damit abgelöst. Kernstück der Anlage ist der Linearbeschleuniger aus EZR-Ionenquelle, LEBT, RFQ, MEBT und 46 supraleitenden HWRs, damit soll ein 5 mA Deuteronen CW-Strahl der Teilchenenergie 40 MeV erzeugt werden.
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.
In the framework of the LHC Injectors Upgrade Project (LIU), the CERN Proton Synchrotron Booster (PSB) went through major upgrades resulting in new effects to study, challenges to overcome and new parameter regimes to explore. To assess the achievable beam brightness limit of the machine, a series of experimental and computational studies in the transverse planes were performed. In particular, the new injection scheme induces optics perturbations that are strongly enhanced near the half-integer resonance. In this thesis, methods for dynamically measuring and correcting these perturbations and their impact on the beam performance will be presented. Additionally, the quality of the transverse beam distributions and strategies for improvement will be addressed. Finally, the space charge effects when dynamically crossing the half-integer resonance will be characterized. The results of these studies and their broader significance beyond the PSB will be discussed.
Das Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum (HIT) ist die erste klinische Anlage in Europa, an der die Strahlentherapie zur Tumorbekämpfung mit schwereren Ionen als Protonen möglich ist. Seit November 2009 wurden mehr als 1500 Patienten bei HIT behandelt.
Dabei kommt das beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt entwickelte Rasterscan-Verfahren zum Einsatz. In der Bestrahlungsplanung wird der Tumor in Schichten gleicher Ionen-Energie und jede Schicht in einzelne Rasterpunkte eingeteilt. Für jeden Rasterpunkt wird eine individuelle Teilchenzahl appliziert, die am Ende zu der gewünschten Dosisverteilung führt. Dabei kann sich die benötigte Teilchenbelegung der einzelnen Rasterpunkte auch innerhalb einer Schicht um mehr als zwei Größenordnungen unterscheiden.
Ein auf wenige Millimeter Durchmesser fokussierter Teilchenstrahl kann in allen Raumrichtungen variiert werden, so dass selbst für unregelmäßig geformte Tumoren eine hochgenaue Dosiskonformität erreicht wird. Messkammern, die in der Ionen-Flugbahn kurz vor dem Patienten installiert sind, überwachen kontinuierlich Position, Form und Intensität des Strahls und ermöglichen so die Rasterpunkt-abhängige Dosisabgabe.
Zur Bereitstellung des Teilchenstrahls ist eine komplexe Beschleunigeranlage nötig, die eine große Bibliothek an möglichen Strahlparametern erzeugen kann. Das Herzstück der Anlage ist ein Synchrotron, in dem die Ionen auf die gewünschte Energie beschleunigt und anschließend über mehrere Sekunden extrahiert werden. Diese langsame Extraktion ist nötig, um dem Bestrahlungssystem genug Zeit für die korrekte, punktgenaue Dosisabgabe zu geben. Die zeitliche Struktur der beim Patienten ankommenden Strahlintensität wird Spill genannt.
Der verwendete Extraktionsmechanismus ist die transversale RF-Knockout Extraktion, die auf dem Prinzip der langsamen Resonanzextraktion beruht. Die im Synchrotron umlaufenden Teilchen werden dabei transversal angeregt, bis nach und nach ihre Schwingungsamplitude so groß ist, dass sie in den Extraktionskanal gelangen. Das für diese Anregung verantwortliche Gerät ist der RF-KO-Exciter. Er ist so eingestellt, dass ein möglichst konstanter Teilchenstrom das Synchrotron verlässt.
Bereits beim Befüllen des Synchrotrons variiert jedoch die injizierte Teilchenzahl und deren Verteilung im Phasenraum, so dass die voreingestellte Amplitudenfunktion des RF-KO-Exciters keinen idealen Spill liefern kann. Es kommt unweigerlich zu Schwankungen der Intensität am Strahlziel. Die erreichbare Leistungsfähigkeit der Therapieanlage hängt jedoch in hohem Maße von der Spillqualität ab. Je besser diese ist, umso schneller kann die individuelle Bestrahlung erfolgen und um so mehr Patienten können in gleicher Zeit behandelt werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Spillqualität am Bestrahlungsplatz. Dazu wird ein Regelkreis zwischen den Strahl-detektierenden Messkammern und dem die Extraktion steuernden RF-KO-Exciter geschlossen. Ionisationskammern, die auch zur Dosisbestimmung verwendet werden, messen die aktuelle Intensität. Das Therapiekontrollsystem, das den gesamten Bestrahlungsprozess steuert, gibt den Sollwert vor und leitet alle Informationen zur Reglereinrichtung. Dort wird in Abhängigkeit der Abweichung aus gewünschter und tatsächlich vorhandener Intensität sowie dem Regelalgorithmus ein Korrektursignal errechnet und dem RF-KO-Exciter zugeführt. Eine der Herausforderungen bestand dabei im Auffinden der geeigneten Regelparameter, die entsprechend der Strahlparameter Energie und Intensität gewählt werden müssen.
In einem ersten Schritt kann so der extrahierte Teilchenstrahl auf dem jeweils geforderten, konstanten Niveau gehalten werden. Diese Stufe wird seit April 2013 vollständig im Routinebetrieb der Therapieanlage verwendet. Der zweite Schritt besteht in der Anpassung der Extraktionsrate an den individuellen Bestrahlungsplan. So können die Rasterpunkte, die eine hohe Dosis benötigen, mit einer höheren Intensität bestrahlt werden, was die Bestrahlungszeit deutlich reduziert. Die Vollendung dieser Stufe ist bis Ende 2013 vorgesehen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Testsysteme sowie die Implementierung in den Routinebetrieb des Therapiebeschleunigers einer solchen Intensitäts- oder Spillregelung realisiert. Dies beinhaltet den Aufbau der Systeme, die Bereitstellung von Soll- und Istwert sowie die Auslegung und Einstellung des Regelkreises. Der erste Testaufbau für ein Strahlziel des Beschleunigers diente generellen Studien zur Machbarkeit einer solchen Regelung. Die dabei gesammelten Erfahrungen über nötige Erweiterungen führten zur zweiten Generation einer Testumgebung auf Basis eines Echtzeit-Ethernet-Systems. Dieses ermöglichte bereits die Regelung an allen Strahlzielen der HIT-Anlage sowie die Verwendung von unterschiedlichen Regelalgorithmen.
Mit den Systemen wurden Messungen zur Charakterisierung der Spillregelung im Parameterraum des Beschleunigers durchgeführt, um so ihre Möglichkeiten und Grenzen zu untersuchen. Erkenntnisse aus dieser Testphase flossen direkt in die Implementierung des für den Patientenbetrieb eingesetzten Systems ein, für das ein hohes Maß an Betriebs-Stabilität erforderlich ist. Es wurde in das Beschleuniger-Kontrollsystem unter Berücksichtigung des Sicherheitskonzeptes der Anlage integriert.
Die reine Bestrahlungszeit wird durch die Realisierung der ersten Stufe um bis zu 25% reduziert, nach Vollendung der zweiten Stufe wird sie um weitere bis zu 50% verringert. Strahlzeiten für Nachjustierungen der Spillqualität werden ebenfalls zum Teil eingespart. Insgesamt konnte durch die Spillregelung die Effizienz der Anlage deutlich gesteigert werden.
Cancer has become one of the most fatal diseases. The Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy (HICAT) has the potential to become an important and efficient treatment method because of its excellent “Bragg peak” characteristics and on-line irradiation control by the PET diagnostics. The dedicated Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy Project includes two ECR ion sources, a RF linear injector, a synchrotron and three treatment rooms. It will deliver 4*10 high 10 protons, or 1*10 high 10 He, or 1*10 high 9 Carbons, or 5*10 high 8 Oxygens per synchrotron cycle with the beam energy 50-430AMeV for the treatments. The RF linear injector consists of a 400AkeV RFQ and of a very compact 7AMeV IH-DTL accelerator operated at 216.816MHz. The development of the IH-DTL within the HICAT project is a great challenge with respect to the present state of the DTL art because of the following reasons: • The highest operating frequency (216.816MHz) of all IH-DTL cavities; • Extremely large cavity length to diameter ratio of about 11; • IH-DTL with three internal triplets; • The highest effective voltage gain per meter (5.5MV/m); • Very short MEBT design for the beam matching. The following achievements have been reached during the development of the IH-DTL injector for HICAT : The KONUS beam dynamics design with LORASR code fulfills the beam requirement of the HICAT synchrotron at the injection point. The simulations for the IH-DTL injector have been performed not only with a homogeneous input beam, but also with the actual particle distribution from the exit of the HICAT RFQ accelerator as delivered by the PARMTEQ code. The output longitudinal normalized emittance for 95% of all particles is 2.00AkeVns, the emittance growth is less than 24%, while the X-X’ and Y-Y’ normalized emittance are 0.77mmmrad and 0.62mmmrad, respectively. The emittance growth in X-X’ is less than 18%, and the emittance growth in Y-Y’ is less than 5%. Based on the transverse envelopes of the transported particles, the redesign of the buncher drift tubes at the RFQ high energy end has been made to get a higher transit time factor for this novel RFQ internal buncher. An optimized effective buncher gap voltage of 45.4KV has been calculated to deliver a minimized longitudinal beam emittance, while the influence of the effective buncher voltage on the transverse emittance can be neglected. Six different tuning concepts were investigated in detail while tuning the 1:2 scaled HICAT IH model cavity. ‘Volume Tuning’ by a variation of the cavity cross sectional area can compensate the unbalanced capacitance distribution in case of an extreme beta-lambda-variation along an IH cavity. ‘Additional Capacitance Plates’ or copper sheets clamped on drift tube stems are a fast way for checking the tuning sensitivity, but they will be replaced by massive copper blocks mounted on the drift tube girders finally. ‘Lens Coupling’ is an important tuning to stabilize the operation mode and to increase or decrease the coupling between neighboring sections. ‘Tube Tuning’ is the fine tuning concept and also the standard tuning method to reach the needed field distributions as well as the gap voltage distributions. ‘Undercut Tuning’ is a very sensitive tuning for the end sections and with respect to the voltage distribution balance along the structure. The different types of ‘plungers’ in the 3rd and 4th sections have different effects on the resonance frequency and on the field distribution. The different triplet stems and the geometry of the cavity end have been also investigated to reach the design field and voltage distributions. Finally, the needed uniform field distribution along the IH-DTL cavity and the corresponding effective voltage distribution were realized, the remaining maximum gap voltage difference was less than 5% for the model cavity. The several important higher order modes were also measured. The RF tuning of the IH-DTL model cavity delivers the final geometry parameters of the IH-DTL power cavity. A rectangular cavity cross section was adopted for the first time for this IH-DTL cavity. This eases the realization of the volume tuning concept in the 1st and 2nd sections. Lens coupling determines the final distance between the triplet and the girder. The triplets are mounted on the lower cavity half shell. The Microwave Studio simulations have been carried out not only for the HICAT model cavity, but also for the final geometry of the IH-DTL power cavity. The field distribution for the operation mode H110 fits to the model cavity measurement as well as the Higher Order Modes. The simulations prove the IH-DTL geometrical design. On the other hand, the precision of one simulation with 2.3 million mesh points for full cross section area and the CPU time more than 15hours on a DELL PC with Intel Pentium 4 of 2.4GHz and 2.096GRAM were exploited to their limit when calculating the real parameters for the two final machining iterations during production. The shunt impedance of the IH-DTL power cavity is estimated by comparison with the existing tanks to about 195.8MOmega/m, which fits to the simulation result of 200.3MOmega/m with reducing the conductivity to the 5.0*10 high 7 Omega-1m-1. The effective shunt impedance is 153 MOmega/m. The needed RF power is 755kW. The expected quality factor of the IH-DTL cavity is about 15600. The IH-DTL power cavity tuning measurements before cavity copper plating have been performed. The results are within the specifications. There is no doubt that the needed accuracy of the voltage distribution will be reached with the foreseen fine tuning concepts in the last steps.
A synchrotron is a particular type of cyclic particle accelerator and the first accelerator concept to enable the construction of large-scale facilities [10], such as the largest particle accelerator in the world, the 27-kilometre-circumference Large Hadron Collider (LHC) by CERN near Geneva, Switzerland, the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France for the synchrotron radiation, the superconducting, heavy ion synchrotron SIS100 under construction for the FAIR facility at GSI, Darmstadt, Germany and so on. Unlike a cyclotron, which can accelerate particles starting at low kinetic energy, a synchrotron needs a pre-acceleration facility to accelerate particles to an appropriate initial value before synchrotron injection. A pre-acceleration can be realized by a chain of other accelerator structures like a linac, a microtron in case of electrons, for example, Proton and ion injectors Linac 4 and Linac 3 for the LHC, UNLAC as the injector for the SIS18 in GSI and in future the SIS18 as injector for the SIS100. The linac is a commonly used injector for the ion synchrotron and consists of some key components. The three main parts of a linac are: An ion source creating the particles, a buncher system or an RFQ followed by the main drift tube accelerator DTL. In order to meet the energy and the beam current requirement of a synchrotron injector linac, its cost is a remarkable percentage of the total facility costs.
However, the normal conducting linac operation at cryogenic temperatures can be a promising solution in improving the efficiency and reducing the costs of a linac. Synchrotron injectors operate at very low duty factor with beam pulse lengths in 1 micros to 100 micros range, as most of the time is needed to perform the synchrotron cycle. Superconducting linacs are not convenient, as they cannot efficiently operate at low duty factor and high beam currents.
The cryogenic operation of ion linacs is discussed and investigated at IAP in Frankfurt since around 2012 [1, 37]. The motivation was to develop very compact synchrotron injectors at reduced overall linac costs per MV of acceleration voltage. As the needed beam currents for new facilities are increasing as well, the new technology will also allow an efficient realization of higher injector linac energies, which is needed in that case. Operating normal conducting structures at cryogenic temperature exploits the significantly higher conductivity of copper at temperatures of liquid nitrogen and below. On the other hand, the anomalous skin effect reduces the gain in shunt impedance quite a bit[25, 31, 9]. Some intense studies and experiments were performed recently, which are encouraging with respect to increased field levels at linac operation temperatures between 30 K and 70 K [17, 24, 4, 23, 5, 8]. While these studies are motivated by applications in electron acceleration at GHz-frequencies, the aim of this paper is to find applications in the 100 to 700 MHz range, typical for proton and ion acceleration. At these frequencies, a higher impact in saving RF power is expected due to the larger skin depth, which is proportional to the frequency to the power of negative half with respect to the normal skin effect. On the other hand, it is assumed that the improvement in maximum surface field levels will be similar to what was demonstrated already for electron accelerator cavities. This should allow to find a good compromise between reduced RF power needs for achieving a given accelerator voltage and a reduced total linac length to save building costs.
A very important point is the temperature stability of the cavity surface during the RF pulse. This is of increasing importance the lower the operating temperature is chosen: the temperature dependence of the electric conductivity in copper gets rather strong below 80 K, as long as the RRR - value of the copper is adequate. It is very clear, that this technology is suited for low duty cycle operated cavities only - with RF pulse lengths below one millisecond. At longer pulses the cavity surface will be heated within the pulse to temperatures, where the conductivity advantage is reduced substantially. These conditions fit very well to synchrotron injectors or to pulsed beam power applications.
H – Mode structures of the IH – and of the CH – type are well-known to have rather small cavity diameters at a given operating frequency. Moreover, they can achieve effective acceleration voltage gains above 10 MV/m even at low beam energies, and already at room temperature operation[29]. With the new techniques of 3d – printing of stainless steel and copper components one can reduce cavity sizes even further – making the realization of complex cooling channels much easier.
Another topic are copper components in superconducting cavities – like power couplers. It is of great importance to know exactly the thermal losses at these surfaces, which can’t be cooled efficiently in an easy way.
Studies and measurements of linear coupling and nonlinearities in hadron circular accelerators
(2006)
In this thesis a beam-based method has been developed to measure the strength and the polarity of corrector magnets (skew quadrupoles and sextupoles) in circular accelerators. The algorithm is based on the harmonic analysis (via FFT) of beam position monitor (BPM) data taken turn by turn from an accelerator in operation. It has been shown that, from the differences of the spectral line amplitudes between two consecutive BPMs, both the strength and the polarity of non-linear elements placed in between can be measured. The method has been successfully tested using existing BPM data from the SPS of CERN, since presently the SIS-18 is not equipped with the necessary hardware. The magnet strength of seven SPS extraction sextupoles was measured with a precision of about 10%. The polarities have been unambiguously measured. This method can be used to detect polarity errors and wrong power supply connections during machine commissioning, as well as for a continuous monitoring of the "nonlinearity budget" in superconducting machines. A second beam-based method has been studied for a fast measurement and correction of betatron coupling driven by skew quadrupole field errors and tilted focusing quadrupoles. Traditional methods usually require a time-consuming scan of the corrector magnets in order to minimize the coupling stop band |C|. In this thesis it has been shown how the same correction can be performed in a single machine cycle from the harmonic analysis of multi-BPM data. The method has been successfully applied to RHIC. It has been shown that the stop band |C| (also known in the American literature as Delta-Qmin) measured in a single machine cycle with the new algorithm is compatible with the value obtained by traditional methods. The measurement of the resonance phase Theta defines automatically the best corrector setting, which was found in agreement with the one obtained with a traditional scan. A third theoretical achievement is a new description of the betatron motion close to the difference resonance in presence of linear coupling. Compared to the matrix formalism the motion is parametrized as a function of the resonance driving term f1001 only (which is proven to be an observable), whereas making use of the matrix approach four parameters need to be measured. Formulae describing the exchange of RMS emittances when approaching the resonances have been already derived in the 70s in the smooth approximation. New formulae have been derived here making use of Lie algebra providing a better description of the emittance behavior. The emittance exchange curves are predicted by new formulae with excellent agreement with multi-particle simulations and the counter-intuitive emittance variation along the ring of the emittance is proven to be related to the variation of f1001. A new way to decouple the equations of motion and explicit expressions for the individual single particle invariants have been found. For the first time emittance exchange studies have been carried out in the SIS-18 of GSI. Transverse RMS emittances have been measured during 2005 from rest gas monitor (RGM) data. Crossing the linear coupling resonance, the transverse emittances exchange completely. It has been observed that this effect is reversible. Applications of this manipulation are: emittance equilibration under consideration for future operations of the SIS-18 as booster for the SIS-100; emittance transfer during multi-turn injection to improve the eficiency and to protect the injection septum in high intensity operations, by shifting part of the horizontal emittance into the vertical plane. The emittance exchange curves obtained experimentally have been compared with analytic formulae providing a fast measurement (in few machine cycles only) of the linear coupling stop band |C|. Technical problems prevented the use of the eight skew quadrupoles installed in the SIS-18 to compensate the linear coupling resonance. It has been observed that the emittance exchange curve is highly sensitive to the beam intensity. Multi-particle simulations with 2D PIC space-charge solver have been run to infer heuristic scaling laws able to quantify the observable stop band, to be used for the resonance compensation. The analysis of BPM and RGM data has been performed making use of new software applications developed for this purpose. The bpm2rdt code for the harmonic analysis of BPM data has been written and tested with real data. The software reads the BPM turn-by-turn data and the Twiss parameters. Then it performs the FFT of these data, finds the peaks of the Fourier spectra and infers the RDT fjklm, the strengths ^hjklm and the local terms lambda-jklm. All these observables are printed out together with the corresponding values of the model, computed from the nominal values of strengths and the Twiss parameters. From the FFT of dual-plane BPM data the linear optics (beta functions and phase advances Delta phi) at the corresponding location is also inferred. From the measurement of f1000, the linear coupling coeffcient C (amplitude and phase) is also computed. The code has been tested by using existing SPS data and new RHIC data. For the on-line analysis of RGM data the rgm2emitt code has been written. The application reads in input the raw data files from the RGM and the beam loss monitor (BLM) respectively, the latter created by the RGM on-line software itself. From the RGM data the transverse beam sizes and emittances are inferred and used together with the BLM data to compute the tune shift during the machine cycle.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein verbessertes Buncher-System für Hochfrequenzbeschleuniger mit niedrigem und mittlerem Ionenstrom entwickelt. Die entwickelte Methodik hat ermöglicht, ein effektives, vereinfachtes Buncher-System für die Injektion in HF-Beschleuniger wie RFQs, Zyklotrons, DTLs usw. zu entwerfen, welches kleine Ausgangsemittanzen und beträchtliche Strahltransmissionen erzielt. Um einen mono-energetischen und kontinuierlichen Strahl aus einer Ionenquelle für den Einschuss in eine Hochfrequenz-Beschleunigerstruktur anzupassen, wird eine Energiemodulation benötigt, die im weiteren Verlauf (Driftstrecke) zur Längsfokussierung des Strahls führt. Durch eine Sägezahnwellenform wird die ideale Energiemodulation aufgrund der linearen Abhängigkeit zwischen der Energie der Teilchen und ihren relativen Phasen erreicht. Dies ist jedoch technologisch nicht möglich, da Teilchenbeschleuniger Spannungsniveaus im Bereich kV bis 100 kV benötigen. Dagegen ist für eine solche Zielsetzung eine räumliche Trennung der sinusförmigen Anregung mit der Grundfrequenz und höheren Harmonischen möglich.
Daher wurde in dieser Arbeit ein verbesserter harmonischer Buncher, der sogenannte „Double Drift Harmonic Buncher - DDHB“ entwickelt, welcher zahlreiche Vorteile hat. Eine geringe longitudinale Emittanz sowie finanzielle Aspekte sprechen für diesen Lösungsansatz. Die Hauptelemente eines DDHB Systems sind zwei Kavitäten, die durch eine Driftlänge L1 getrennt sind, wobei der erste Resonator mit der Grundfrequenz bei -90° synchroner Phase und angelegter Spannung V1 und der zweite Resonator bei der zweiten harmonischen Frequenz mit +90 synchroner Phase und angelegter Spannung V2 betrieben werden. Schließlich ist eine zweite Drift L2 am Ende des Arrays für eine longitudinale Strahlfokussierung am Hauptbeschleunigereingang erforderlich. Somit erfüllt ein solcher Aufbau das angestrebte Ziel einer hohen Einfangseffizienz und einer kleinen longitudinalen Emittanz durch Anpassen der vier Designparameter V1, L1, V2 und L2.
Das Verständnis der Fokussierung, ausgehend von einem Gleichstromstrahl, einschließlich der Raumladungskräfte, ist einer der wesentlichen Bestandteile der Strahlphysik. Viele kommerzielle Codes bieten Simulationsmöglichkeiten in diesem Anwendungsbereich. Ihre Ansätze bleiben jedoch dem Anwender meist verborgen, oder es fehlen wichtige Details zur genauen Abbildung des vorliegenden Konzepts. Daher bestand eine Hauptaufgabe dieser Arbeit darin, einen speziellen Multi-Particle-Tracking-Beam-Dynamics-Code (BCDC) zu entwickeln, bei dem der Raumladungseffekt während des Bunch-Vorgangs, ausgehend von einem DC-Strahl berechnet wird. Der BCDC - Code enthält elementare Routinen wie Drift und Beschleunigungsspalt oder magnetische Linse für die transversale Strahlfokussierung und Raumladungsberechnungen unter Berücksichtigung der Auswirkungen der nächsten Nachbar-Bunche (NNB). Der Raumladungsalgorithmus in BCDC basiert auf einer direkten Coulomb- Gitter-Gitter-Wechselwirkung und Berechnungen des elektrischen Feldes durch Lokalisierung der Ladungsdichte auf einem kartesischen Gitter. Um Genauigkeit zu erreichen, werden die Feldberechnungen in Längsrichtung symmetrisch um das zentrale Bucket (βλ-Größe) erweitert, so dass das Simulationsfeld dreimal so groß ist. Die zentrale Teilchenverteilung wird dann nach jedem Schritt in die benachbarten Buckets kopiert. Anschließend werden die resultierenden Felder im Hauptgitterfeld neu berechnet, indem die elektrischen Felder im Hauptgitterfeld mit denen aus den benachbarten Regionen überlagert werden. Ohne diese Methode würde z. B. ein kontinuierlicher Strahl, welcher jedoch in der Simulation nur innerhalb einer Zelle der Länge βλ definiert ist, zu einer resultierenden Raumladungsfeldkomponente Ez an beiden Rändern der Zelle führen. Ein solches unphysikalisches Ergebnis konnte durch die Anwendung der NNB-Technik bereits weitgehend eliminiert werden. Zusätzlich zum NNB-Feature verfügt das BCDC über eine weitere Besonderheit nämlich die sogenannte Raumladungskompensation (SCC). Aufgrund der Ionisierung des Restgases kommt es entlang des Niederenergiestrahltransports zu einer teilweisen Raumladungskompensation, und zwar am und hinter dem Bunchersystem mit unterschiedlichen Prozentsätzen. Eines der Hauptziele des DDHB-Konzepts besteht darin, es für Hochstromstrahlanwendungen zu entwickeln. Dabei ermöglicht die teilweise Raumladungskompensation, dass das Design in der Praxis höhere Stromniveaus erreicht. Dadurch ist das BCDC-Programm ein leistungsstarkes Werkzeug für Simulationen in künftigen, stromstarken Projekten. Proof-of-Principle-Designs wurden in dieser Arbeit entwickelt.
Magnetische Quadrupole und Solenoide sind ein elementarer Bestandteil einer Beschleunigeranlage und begrenzen die transversale Ausdehnung eines Teilchenstrahls durch eine Reflexion der Teilchen in Richtung der Beschleunigerachse. Die konventionelle Bauweise als Elektromagnet besteht aus einem Eisenjoch welches mit Spulen umwickelt ist. In dieser Arbeit werden diese Magnetstrukturen auf Basis von Permanentmagneten designt und hinsichtlich ihrer Qualität zum Strahltransport optimiert, sowie Feldmessungen an permanentmagnetischen Quadrupolen durchgeführt. Diese wurden mit 3D-gedruckten Halterungen aus Kunststoff gefertigt, was eine Vielzahl von Formvariationen ermöglicht. Darauf aufbauend wurde ein im Vakuum befindlicher Aufbau entwickelt, mit welchem die Strahlenvelope im inneren eines permanentmagnetischen Quadrupol Tripletts diagnostiziert werden kann. Dies greift auf ein am Institut für angewandte Physik entwickeltes System zur nicht-invasiven Strahldiagnose mithilfe von Raspberry Pi Einplatinencomputern und Kameras in starken Magnetfeldern zurück.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Konfiguration eines PMQ’s ist eine Weiterentwicklung des am CERN im Linac4, einem Alvarez-Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von H– , verwendeten Designs. Bei diesem sind je acht quaderförmige Permanentmagnete aus Samarium Cobalt (SmCo) in die Driftröhren des Beschleunigers integriert.
Darauf aufbauend wurden die geometrischen Designparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Magnetfelds untersucht. In einem magnetischen Quadrupol zur Strahlfokussierung wird dies durch einen linearen Anstieg des Magnetfeldes von Quadrupolachse zu Polflächen charakterisiert. Das Design wurde im Zuge dessen zur Verwendung von industriellen Standardgeometrien von Quadermagneten und der Erhöhung der magnetischen Flussdichte erweitert. Dazu wurde untersucht wie sich das Hinzufügen von zusätzlichen Magneten auswirkt und ob eine bessere Feldqualität durch andere Magnetformen erreicht wird.
Die Kombination mehrerer PMQ in geringem Abstand (<10 mm) führt abhängig von der Geometrie der PMQ-Singlets zu einer erheblichen Verschlechterung der Feldlinearität, was eine Erhöhung des besetzten Phasenraumvolumens der Teilchen nach sich zieht.
Am Beispiel von PMQ-Tripletts werden die zu beachtenden Designparameter analysiert und Lösungsansätze vorgestellt. Die auftretenden Effekte werden anhand von Strahldynamiksimulation veranschaulicht. Für eine Anwendung der vorgestellten Designs wurde eine Magnethülle mit einer Wabenstruktur zur Aufnahme der Einzelmagnete entwickelt. Diese besteht aus zwei Halbschalen, welche jeweils den Kompletteinschluss aller Magnete garantiert und eine einfache Montage um ein Strahlrohr ermöglicht. Diese wurden in der Institutswerkstatt aus Kunststoff via 3D-Druck gefertigt. Aufgrund der höheren erreichbaren Magnetisierung wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd2F14B, Br =1,36 T) für den Bau der entwickelten Strukturen verwendet. Für eine Magnetfeldmessung zur Bestätigung der magnetostatischen Simulationen und einer Bewertung der Druckqualität wurde eine motorisierte xyz-Stage zur Bewegung einer Hallsonde aufgebaut. Die Messungen zeigen eine gute Zentrierung des Magnetfeldes, sodass PMQ mit einer Kunststoffhalterung eine schnelle und billige Möglichkeit sind, kurzfristig eine Quadrupol-Konfiguration aufzubauen. Die Kosten belaufen sich für einen einzelnen PMQ je nach Länge auf 50€ bis 100€.
Basierend auf der PMQ-Struktur wurde ein PMQ-Triplett in ein Vakuum versetzt und mit Raspberry Pi Kameras im Zwischenraum der Singlets ausgestattet. Dies ermöglichte die Aufnahme der Strahlenvelope innerhalb des Tripletts anhand der durch einen Heliumstrahl induzierten Fluoreszenz und erste Erkenntnisse für notwendige Weiterentwicklungen wurden gesammelt. Auf den genauen technischen Aufbau wird im abschließenden Kapitel der Arbeit detailliert eingegangen.
In der einfachsten Form wird ein PM-Solenoid anhand eines einzelnen axial magnetisierten Hohlzylinders realisiert und erzeugt näherungsweise die Feldverteilung einer Zylinderspule. Durch die radialen Magnetfeldkomponenten an den Rändern des Solenoiden erhalten Teilchen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und führen eine Gyrationsbewegung entlang der Solenoidachse aus. Diese reduziert den Strahlradius und die Teilchen behalten eine Geschwindigkeitskomponente, welche zur Solenoidachse zeigt. Für eine Maximierung dieser Fokussierung muss das Magnetfeld auf die Zylinderachse konzentriert werden. Insbesondere bei einer Verlängerung des Hohlzylinders wird die Kopplung der Polflächen über das Innenvolumen abgeschwächt. Aufgrund dessen wurde ein Design bestehend aus drei Hohlzylindersegmenten entwickelt. Dieses setzt sich aus zwei radial und einem axial magnetisierten Hohlzylinder zusammen und erhöht die mittlere magnetische Flussdichte für ausgewählte Geometrien um einen Faktor zwei im Vergleich zu einem einzelnen Hohlzylinder gleicher Geometrie. Dies ist gleichzusetzen mit einer Vervierfachung der Fokussierstärke, welche quadratisch mit der mittleren magnetischen Flussdichte skaliert. Die Strahldynamischen Konsequenzen werden anhand von Simulationen mit generierten Magnetfeldverteilungen erläutert. Für eine kostengünstige Bauweise wurde eine Design basierend auf quaderförmigen Magneten entwickelt.
The development of the designs of the superconducting CH cavities of the HELIAC project from CH0 [27] to CH1 and CH2 [1] has undergone permanent improvements and adaptations based on the learned experiences of each previous cavity. For example, the design of CH1 and CH2 focused on mechanical stabilization and optimization of performance by minimizing peak electric and magnetic fields. As a result, the changes made there were already able to increase stability and performance compared to CH0 by simplifying the design in different ways. The process of designing both cavities was time reasonable, since they are identical in construction and thus only one design had to be developed. However, for both the development and manufacturing of an entire accelerator of individual CH cavities, this type of design would become too time consuming and costly. In order to reduce this time-consuming design process and accelerate the fabrication of superconducting CH cavities, and also reduce costs, a modular cavity design for mass production of superconducting CH cavities was developed as presented in this thesis. In the following section, the conclusions gained in this work and the results already presented will be summarized once again.
So in the first chapters of this thesis the theoretical foundations were laid, which are necessary for the description of superconducting cavities and for their development process, like a theoretical description of superconductivity itself (see chapter 2), the physical basics of RF-acceleration and of the CH cavity (see chapter 3), but also the effects that limit the superconducting cavities in terms of acceleration (see chapter 4) or the properties and laws from structural mechanics needed in later measurements and simulation (see chapter 5). Based on the theoretical foundations given in these sections, all measurements, evaluations and simulations made in the following sections were made.
In dieser Dissertation werden die Erfahrungen mit verschiedenen Präparationsmethoden für CH-Kavitäten beschrieben, um die Leistung der Kavitäten nach der Herstellung weiter zu steigern. Die Leistung wird anhand von zwei wichtigen HF-Parametern bewertet:
dem elektrischen Feld Ea und der intrinsischen Güte Q0. Im Gegensatz zu normalleitenden (NC) Kavitäten kann die intrinsische Güte von supraleitenden (SC) Kavitäten mit zunehmendem elektrischem Feld erheblich variieren. Das optimale Ergebnis für die Kavitätenpräparation ist die Erhöhung des maximalen elektrischen Feldes unter Beibehaltung eines höheren Q0 über die gesamte Feldspanne. Da Q0 umgekehrt proportional zu den Kavitätsverlusten ist, reduziert eine Erhöhung des Qualitätsfaktors die Kryoverluste für den Betrieb bei gegebenem Feldniveau. Die Entwicklung der Kavitätenperformanz im Verlauf dieser Arbeit dargestellt.
Die meisten SC-Kavitäten sind elliptische Strukturen, welche bei hoher Geschwindigkeit und Tastrate angewendet werden. Die Präparationsmethoden wurden daher überwiegend auf diese Strukturen angewandt und optimiert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Umsetzung der zuverlässigsten und vielversprechendsten Oberflächenbehandlungen mittels des ersten vom IAP entwickelten SC 360MHz CH-Prototyps. Diese Kavität wies nach 11 Jahren Lagerung eine verminderte Leistung auf, welche mit Röntgenstrahlung bei bereits niedrigen elektrischen Feldern einherging. Dies deutet auf eine unbeabsichtigte Belüftung mit normaler Luft hin, durch die Partikel eingeführt wurden, die als verstärkende Quellen von Elektronen fungierten. Außerdem musste der Leistungskoppler aufgrund einer starken Überkopplung neu ausgelegt werden.
Die Kavität wurde für 48 Stunden bei 120◦ C mittels Heizbändern in der Experimentierhalle des IAP’s ausgeheizt, was zu einer Verbesserung des Qualitätsfaktors bei niedrigen Werten und zu einer Verkürzung der für die Konditionierung von Multipacting-Barrieren erforderlichen Zeit führte. Allerdings wurde durch diese Behandlung das maximale erreichbare elektrische Feld weiter verringert. Die Verbesserung der Güte ist auf das Ausgasen der Kohlenwasserstoffe während des Backvorgangs zurückzuführen. Die negative Auswirkung auf das maximale elektrische Feld ist weniger auf das Backen selbst zurückzuführen als auf den Transport der Kavität und die verwendeten Vakuumkomponenten, die in der Versuchshalle gelagert sind.
Die beobachtete Leistungseinschränkung lässt sich hauptsächlich durch Partikel im Inneren des Resonators erklären, da Feldemission bei niedrigen Feldstärken auftrat. Eine Hochdruckspülung mit ultrareinem Wasser (HPR) ist das Standardverfahren, um nach Behandlungen, bei denen das Risiko einer Oberflächenkontamination besteht, eine hohe Reinheit der inneren Oberflächen zu erreichen. Die HPR wurde in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut-Mainz und der Gesellschaft für Schwerionenforschung geplant und durchgeführt. Der Resonator zeigte bereits während der Messung der Q-E-Kurve eine Zunahme der transmittierten Leistung bei konstanter Vorwärtsleistung, was vor der HPR nicht der Fall war. Bei der CW-HF-Konditionierung zeigte die Kavität den höchsten Gradienten bei einem deutlich schwächeren Q-Abfall bei hohen Feldstärken.
Sowohl bei der Messung von 2008 als auch bei der beschriebenen Messung wurde die Kavität mit einer HPR-Behandlung fertiggestellt, aber für die HPR-Behandlung bei HIM in Mainz wurden einige Anpassungen vorbereitet. Der CH Prototyp verfügt über keine zusätzlichen Spülports und wurde daher mit zwei verschiedenen Düsen mit unterschiedlichen Sprühwinkeln gespült, um die erreichbaren inneren Resonatorflächen zu maximieren. Die Verwendung mehrerer Sprühwinkel könnte auch für CH-Kavitäten mit Spülöffnungen von Vorteil sein und sollte für zukünftige HPR-Anwendungen in Betracht gezogen werden.
Die Heliumbehandlung wurde am CH-Prototyp 2,5 Stunden lang durchgeführt und lieferte vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Güte und die Gradientenoptimierung.
Während dieses Prozesses wurde die emittierte Röntgenstrahlung in Richtung am Arbeitsplatzs gemessen und zeigte starke zeitabhängige Fluktuationen. Dies deutete auf die Beseitigung von Partikeln hin und wurde anschließend durch einen Anstieg des elektrischen Feldes von 8,4 auf 8,7 MV/m bestätigt. Eine unerwartete Auswirkung wurde bei der Q-Steigung im mittleren bis hohen Feld festgestellt, bei der der Qualitätsfaktor im Vergleich zum HF-konditionierten Fall eine Erhöhung von 5% oberhalb von 2MV/m aufwies. Dieser systematische Anstieg wurde für diesen Beschleuniger vor der Behandlung bisher nicht beobachtet. Stickstoffgedopte Kavitäten zeigen ein ähnliches Verhalten, bei dem Wechselwirkungen innerhalb der Oxidschicht mit Änderungen der Qualitätsfaktoren korreliert sind. Da Helium ein nicht reaktives Element ist, sind mögliche Erklärungen für diesen Effekt der Sputterprozess und die Einlagerung von Helium innerhalb der Oberfläche. Eine Serie von Heliumbehandlungen ist geplant, um ein optimiertes und sicheres Rezept für CH-Kavitäten zu finden. Die Q-E-Messung nach der Abkühlung und vor der Behandlung wird auch zeigen, ob der Leistungsgewinn durch ein Aufwärmen auf Raumtemperatur beeinträchtigt wird.
Die in dieser Arbeit skizzierte Behandlungssequenz wird für CH-Kavitäten dringend empfohlen. Das Ausheizen hat sich bei der Verringerung des Multipactings and der Güteabnahme bei hohen Feldern als wirksam erwiesen und bleibt von der anschließenden HPR unbeeinflusst. In dieser Arbeit wurden keine negativen Auswirkungen der HPR auf das Multipactingverhalten festgestellt. Anschließend wird eine CW-HF-Konditionierung durchgeführt, bis keine weitere Leistungszunahme der Kavität mehr zu verzeichnen ist.
Wenn die Kavität immer noch durch Feldemission begrenzt ist, sollte eine Wiederholung der HPR-Behandlung in Betracht gezogen werden, da bei sorgfältiger Durchführung der HPR keine der bisherig gefertigten CH-Kavitäten hierdurch begrenzt war. Es ist auch anzumerken, dass die Heliumbehandlung nur an der 360MHz CH-Kavität durchgeführt wurde, als diese eine geringe Strahlung durch Feldemission aufwies. Das Risiko des Heliumprocessing an CH-Kavitäten unter starker Feldemission ist unbekannt. Es ist zu erwarten, dass die Elektronenströme und damit die Ionenbeschusslawinen zunehmen und ein größeres Risiko für die Beschädigung von der Komponenten darstellen. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sollte die Heliumbehandlung nur für gut vorbereitete Kavitäten mit minimaler Feldemission in Betracht gezogen werden.
Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert.
Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.