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Experimente und Simulationen zur Filterung und Injektion in einen toroidalen Ionenspeicherring
(2014)
Die in dieser Arbeit durchgeführten theoretischen Untersuchungen, Simulationen und Experimente hatten das Ziel, die Erforschung der Injektion in sowie des Transports von Ionenstrahlen bestehend aus verschiedenen, einzelnen Wasserstoffionenspezies durch toroidale Magnetfeldstrukturen zu ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Filter- und Detektorsystem für Wasserstoffionenstrahlen – ein Filterkanal – entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zunächst wurde mittels theoretischer Betrachtungen das Konzept des Kanals und die Funktionalität der Filterung sowie Vermessung der Strahlzusammensetzung analysiert. Danach wurde der Kanal mit Hilfe von Simulationen ausgelegt und anschließend nach genauen Vorgaben gebaut. Gleichzeitig wurde mittels weiterer Simulationen das Strahlverhalten im Kanal genauer analysiert und zusätzlich die Auswirkungen verschiedener Parameter auf das Filterverhalten des Kanals untersucht. Anschließend wurde der zusammengebaute Kanal mittels Experimenten erforscht. Dabei wurden mehrere Experimente mit verschiedenen Quellen- und Strahlparametern durchgeführt, wobei vor allem die Filtereigenschaften sowie die Vermessung der Strahlzusammensetzung umfangreich untersucht und im Bezug auf die Funktionalität des Filterkanals diskutiert wurden.
Des Weiteren befasste sich diese Arbeit mit dem Aufbau des Injektionsexperiments zur Untersuchung der Injektion eines Wasserstoffionenstrahls zwischen zwei Toroidsegmente. Dazu wurde ein höhenverstellbarer Injektor samt Hochspannungsterminal und Peripherie entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser besteht aus einer Volumenionenquelle, einer neu entwickelten Faraday-Tasse sowie einem Solenoid. Die Faraday-Tasse, welche zur Vermessung des Quellenstroms im neuen Injektor sowie zusätzlich zur Vermessung des Ionenstrahlstroms hinter dem Filterkanal eingesetzt wird, wurde dabei im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, experimentell durchgemessen und auf ihre Funktionalität geprüft. Im Zusammenhang mit dem Hochspannungsterminal für den neuen Injektor wurden die verschiedenen Möglichkeiten für die Verschaltung einer Volumenionenquelle mit dem dazugehörigen Hochspannungsterminal diskutiert und der Zusammenhang zur Strahlenergie hergestellt.
Mittels theoretischer Rechnungen wurde der aufgrund der RxB Drift benötigte Höhenunterschied zwischen Injektionskanal und Transportkanal für das Injektionsexperiment bestimmt und der neue Injektor auf den errechneten Bereich vorkonfiguriert. Zusätzlich wurde mittels Simulationen die optimale Strahlenergie bestimmt, bei der der Strahl beim Transport durch den Transportkanal angepasst ist und somit die Auswirkung der Driftsektion zwischen den beiden Toroidsegmenten sowie die Beeinflussung durch das Injektionssystem am geringsten sein sollten. In diesem Zusammenhang wurde auch auf die möglichen Geometrien zum Aufbau des Injektionsexperiments eingegangen und mittels der angesprochenen Untersuchungen eine Geometrie für den Aufbau des Injektionssystems festgelegt.
Zur Erforschung des Strahlstransports durch zwei Toroidsegmente wurden im Rahmen dieser Arbeit theoretische Betrachtungen, Simulationen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde ein toroidaler Teststand, bestehend aus zwei 30 Grad Toroidsegmenten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,6 T und einer Driftsektion zwischen diesen beiden Magneten von 400 mm Länge, verwendet. Von einer Volumenionenquelle wurde ein Wasserstoffionenstrahl erzeugt und dieser mittels eines Solenoids angepasst und in das erste Toroidsegment eingeschossen. Mit Hilfe eines beweglichen Detektors konnte der Ionenstrahl an jeder Position im Rezipienten beim Transport durch den toroidalen Aufbau experimentell untersucht und vermessen werden.
Bei den Experimenten mit dem vorhandenen Detektor konnten auf den Aufnahmen der Leuchtdichteverteilung starke Sekundärelektroneneffekte beobachtet werden, welche die Untersuchung des Ionenstrahls mit dem Detektor erschwerten oder teilweise ganz unmöglich machten. Aus diesem Grund wurde zur Unterdrückung dieser Elektronen eine Wasserstoffatmosphäre im Rezipienten aufgebaut, welche die Elektronen stärker absorbiert als die Ionen und damit die Beobachtung des Ionenstrahls ermöglichen sollte. Auf diesem Wege lässt sich das transversale Verhalten des Strahls beim Strahltransport durch die toroidalen Magnetfelder mit dem vorhandenen Detektor untersuchen. Die Auswirkungen des Wasserstoffgases auf die geladenen Teilchen wurden dabei theoretisch und experimentell untersucht und analysiert. Die Auswirkung von Helium-, Stickstoff- und Argongas auf den Ionenstrahl und die Elektronen wurde in diesem Zusammenhang experimentell betrachtet.
Des Weiteren wurde mit Hilfe des Computerprogramms TBT der Strahltransport durch die zwei toroidalen Magnetfeldsegmente unter Verwendung von Referenzeinstellungen simuliert und die Ergebnisse mit den theoretischen und experimentellen Daten des Strahltransports verglichen. Bei diesen Simulationen konnten die Gyrationsbewegungen sowie die Transmission des Ionenstrahls durch die Driftsektion genauer untersucht werden.
Da die Magnetfelder der Toroidsegmente auch in der Driftsektion als Führungsfelder dienen sollen, sind die im experimentellen Aufbau verwendeten Toroidsegmente nicht magnetisch geschirmt. Dies hat zur Folge, dass das von den Magneten erzeugte Feld Auswirkungen auf andere Komponenten des toroidalen Teststandes besitzt. Aus diesem Grund wurden die Auswirkungen dieser Magnetfelder auf die Ionenquelle sowie auf das Druckmesssystem des Teststands genauer betrachtet.
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.
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.
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.