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An optimized design of a stellarator-type storage ring for low energy ion beams was numerically investigated. The magnetic field variation along the circumference and therefore magnetic heating is suppressed by using simple circular correction coils. Particle-in-Cell (PIC) simulations in a magnetic flux coordinate system show the ability of high current ion beam accumulation in such a configuration with unique features for clockwise and anticlockwise moving beams. Additionally scaled down experiments with two 30 degree room temperature toroidal segments were performed to demonstrate toroidal transport and to develop optical beam diagnostics. Properties of multi-component beams, redistribution of transversal momenta in the non-adiabatic part of the experimental configuration and investigation of strongly confined beam induced electron clouds will be addressed.
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.
An der Goethe Universität in Frankfurt wird ein Konzept für ein magnetostatischen Hochstromspeicherring für Protonen- und Ionenstrahlen entwickelt und untersucht. Zur Zeit stehen dem Experiment zwei Toroidsegmente und eine Volumenionenquelle zur Verfügung. An diesem Aufbau werden Experimente mit dem Ziel die Strahldynamik zu untersuchen und die Strahldiagnose in toroidalen Magnetfeldern zu entwickeln, durchgeführt [Joshi] Für Experimente ist eine Strahldiagnose entlang der starken toroidalen Magnetfelder bis maximal 0, 6T nötig. Dabei sind die zur Verfügung stehenden Strahldiagnoseverfahren zum Einen ein Faraday-Cup und zum Anderen ein entlang des kompletten Aufbaus beweglicher Szintillatordetektor. Der Szintillatordetektor, besteht aus einem Phosphorschirm und einer Kamera, die hinter dem Schirm angebracht ist. [Nonn] Aufgrund der geschlossenen Ringgeometrie und dem Anspruch auf eine hohe Flexibilität des Detektors ist die Konstruktion eines neuen von starken Magnetfeldern unbeeinflussbaren und sehr kompakten Detektors notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Strahldiagnoseverfahren zu entwickeln.
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.
