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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.
The planned Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI has to cope with a wide range of beam intensities in its high-energy beam transport systems and in the storage rings. To meet the requirements of a non-intercepting intensity measurement down to nA range, it is planned to install a number of Cryogenic Current Comparator (CCC) units at different locations in the FAIR beamlines. In this work, the first CCC system for intensity measurement of heavy ion beams, which was developed at GSI, was re-commissioned and upgraded to be used as a 'GSI - CCC prototype' for extensive optimization and development of an improved CCC for FAIR. After installation of a new SQUID sensor and related electronics, as well as implementation of improved data acquisition components, successful beam current measurements were performed at a SIS18 extraction line. The measured intensity values were compared with those of a Secondary Electron Monitor (SEM). Furthermore, the spill-structure of a slowly extracted beam was measured and analyzed, investigating its improvement due to bunching during the slow-extraction process. Due to the extreme sensitivity of the superconducting sensor, the determined intensity values as well as the adjustment of the system for optimal performance are strongly influenced by the numerous noise sources of the accelerators environment. For this reason, detailed studies of different effects caused by noise have been carried out, which are presented together with proposals to reduce them. Similarly, studies were performed to increase the dynamic range and overcome slew rate limitations, the results of which are illustrated and discussed as well. By combining the various optimizations and characterizations of the GSI CCC prototype with the experiences made during beam operation, criteria for a more efficient CCC System could be worked out, which are presented in this work. The details of this new design are worked out with respect to the corresponding boundary conditions at FAIR. Larger beam tube diameters, higher radiation resistivity and UHV requirements are of particular importance for the cryostat. At the same time these parameters affect the CCC superconducting magnetic shielding, which again has significant influence on the current resolution of the system. In order to investigate the influence of the geometry of the superconducting magnetic shield on different magnetic field components and to optimize the attenuation, FEM simulations have been performed. Based on the results of these calculations, modifications of the shield geometry for optimum damping behavior are proposed and discussed in the thesis.
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.
Im Rahmen des FAIR Projektes wurde ein neuartiger Prototyp eines nicht strahlzerstörenden Bunch Struktur Monitors (BSM) am GSI UNILAC entwickelt. Ziel ist es, ein zuverlässiges Diagnosegerät zu entwickeln, welches die longitudinale Struktur der Ionenbunche innerhalb des LINACs untersuchen kann. Notwendig ist hierbei eine effektive Zeitauflösung deutlich unter 100 ps, bei möglichst wenigen Makropuls Mittelungen. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme soll der BSM Prototyp dazu dienen, die Umsetzbarkeit eines weiteren nichtinvasiven Geräts für den geplanten Proton-LINAC bei FAIR mit einer notwendigen Zeitauflösung von 10 ps zu beurteilen.
Die numerische Simulation von Materialien, welche dem Hochstrom-Ionenstrahl ausgesetzt sind, zeigten einen sehr hohen thermischen Stress. Daher wurde der Ansatz eines nicht strahlzerstörenden Diagnosegerätes verfolgt. Das Design beruht auf der Erzeugung von Sekundärelektronen durch Strahl-Restgas Kollisionen im Strahlrohr. Durch das Anlegen eines homogenen Hochspannungspotentials von bis zu -31 kV, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, welcher die zeitliche Struktur des Ionenbunches trägt. Die zeitliche Information des Elektronenstrahles wird beim Durchfliegen eines HF-Ablenkers, welcher resonant an die 36 MHz des Beschleunigers gekoppelt ist, in eine räumliche Intensitätsverteilung umgewandelt. Anschließend wird die Elektronenverteilung auf einem bildgebenden MCP-Phosphor-Detektor durch eine CCD-Kamera detektiert und in die Bunch Struktur überführt.
Intensive Untersuchungen der BSM Eigenschaften ergaben eine höchste Auflösung von 37 ±6.3 ps bei gleichzeitig akzeptabler Intensität auf dem MCP-Detektor. Unter anderem wurden auch stabile Einzelschussmessungen durchgeführt, welche für die Profilmessung nur einen einzelnen Makropuls benötigten, statt über typischerweise 8-32 Pulse zu mitteln.
Durch die systematische Manipulation der Bunchlänge durch einen Rebuncher sind nicht gaußförmige Profile von 280 ps bis 650 ps detektiert worden, welche als Studie für eine Emittanzbestimmung genutzt worden sind. In Abhängigkeit des Analyseverfahrens sind Werte von εGauss = 1.42 ±0.14 keV/u ns bis εSD = 3.03 ±0.33 keV/u ns für die Emittanz bestimmt worden.
Des Weiteren ist ein Finite-Elemente Modell erstellt worden, um die Zeitstruktur der Sekundärelektronen innerhalb des elektronenoptischen Systems zu bestimmen. Für das Setup mit der höchsten Auflösung von 37 ps ergab sich eine zusätzliche Zeitverbreiterung von 5.6 ps, welche nur geringfügig die experimentell bestimmte Auflösung verschlechtert.
Der nicht strahlzerstörende BSM liefert eine ausreichend hohe zeitliche Auflösung für detailreiche Untersuchung der longitudinalen Bunchstruktur, ohne negative Einflüsse auf den Ionenstrahl auszuüben. Fortgeschrittene Messungen, wie longitudinale Emittanzbestimmung und Makropulsanalysen, sind möglich und werden dazu beitragen, die LINAC Strukturen besser zu verstehen und weiter zu optimieren.
Obwohl bei der Umsetzung des Arbeitsprinzips für den geplanten Proton-LINAC die veränderten Strahlparameter berücksichtigt werden müssen, zeigen die Ergebnisse, wie die Zeitstrukturuntersuchung und die erreichte Phasenauflösung von 0.5° bei 36 MHz, dass zeitliche Auflösungen bei Aufrechterhaltung der Phasenauflösung von bis zu 10 ps für einen neuen BSM Prototypen möglich sind.
This dissertation presents the development of a new radio frequency quadrupole (RFQ) structure of the 4-rod type with an operating frequency of 108 MHz for the acceleration of heavy ions with mass-to-charge ratios of up to 8.5 at high duty cycles up to CW operation ("continuous wave") at the High Charge Injector (HLI) of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt.
The need to develop a completely new RFQ for the HLI arises from the fact that with the previously designed and built 4-rod RFQ structure, which was commissioned at the HLI in 2010 as part of the planned HLI upgrade program, the desired operating modes in both pulsed and CW operation could not be achieved even after several years of operating experience and considerable efforts to eliminate or at least mitigate the severe operational instabilities. Mechanical vibrations of the electrodes, which result in strong modulated power reflection, as well as the high thermal sensitivity proved to be particularly problematic.
In addition to the RF design of the new RFQ by simulations performed with the CST Microwave Studio software, the focus of the investigations fell on the mechanical analysis of vibrations on the electrode rods caused by RF operation, for which the ANSYS Workbench software was used. Due to the high thermal load of the RFQ structure of more than 30 kW/m in CW operation, an accurate analysis of the thermal effects on electrode deformation as well as resulting frequency detuning of the resonator is also required, which was investigated by simulations within the capabilities of CST Mphysics Studio.
Based on the results of the design studies carried out by simulations and the thereby achieved design optimizations, a 4-rod RFQ prototype with 6 stems was finally manufactured, on which most of the properties expected from the simulations could be validated by measurements of the RF characteristics as well as of the vibration behavior.
Finally, based on the results of the pre-tests and considering a newly developed beam dynamics concept, a completely revised RF design for a new full-length HLI-RFQ was derived from the prototype design.
The laser-driven acceleration of protons from thin foils irradiated by hollow high-intensity laser beams in the regime of target normal sheath acceleration is reported for the first time. The use of hollow beams aims at reducing the initial emission solid angle of the TNSA source, due to a flattening of the electron sheath at the target rear side. The experiments were conducted at the PHELIX laser facility at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH with laser intensities in the range from 10^18 to 10^20 W/cm^2. We observed an average reduction of the half opening angle by (3.07±0.42)° or (13.2±2)% when the targets have a thickness between 12 to 14 μm. In addition, the highest proton energies were achieved with the hollow laser beam in comparison to the typical Gaussian focal spot.
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.
Der langsame Neutroneneinfang-Prozess (s-Prozess) ist für die Erzeugung von rund der Hälfte der Elemente zwischen Eisen und Blei verantwortlich. Sein Reaktionspfad enthält entlang des Stabilitätstals einige Verzweigungspunkte an instabilen Isotopen, deren Neutroneneinfangquerschnitte die Produktion schwererer Elemente und deren Isotopen-Verhältnisse beeinflussen. Kennt man ihre Zerfalls- und Neutroneneinfangraten unter den angenommenen stellaren Bedingungen ist es möglich, Rückschlüsse auf die physikalischen Umstände während des s-Prozesses zu ziehen. Einer dieser Verzweigungspunkte ist 63-Ni. Die experimentelle Bestimmung des differentiellen Wirkungsquerschnittes für den Neutroneneinfang an diesem Isotop ist das primäre Ergebnis der vorliegenden Arbeit. Der 63-Ni(n,gamma)- Wirkungsquerschnitt hat Einfluss auf die Häufigkeiten von 64-Ni, die Kupfer- und die Zink-Isotope. Die Sensitivität der Produktion dieser Nuklide in s-Prozess-Szenarien wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit anhand von Simulationen des entsprechenden Nukleosynthesenetzwerkes untersucht. Zudem wurde die Datenlage für s-Prozess-Modelle mit einer Flugzeit-Messung des 63-Cu(n,gamma)-Wirkungsquerschnitts erweitert.
Die beiden Experimente zur Querschnittsbestimmung von 63-Ni und 63-Cu fanden am Los Alamos Neutron Science Center in New Mexico, USA statt. Eine aus angereichertem 62-Ni hergestellte 63-Ni-Probe wurde im Rahmen einer Flugzeit-Messung gepulst mit Neutronen bestrahlt. Der Nachweis der prompten Gammastrahlung aufgrund von Neutroneneinfängen erfolgte mit dem 4π-BaF_2-Detektor DANCE. Die kalorimetrische Messung macht den Q-Wert der Reaktion für jedes Einfangereignis zugänglich und erlaubt die Unterscheidung von Ereignissen verschiedener Isotope. Es konnte gezeigt werden, dass diese Methode die Bestimmung von Querschnitten selbst mit Proben ermöglicht, die nur zu einem Bruchteil aus dem zu untersuchenden Isotop bestehen. Der 63-Ni(n,gamma)-Wirkungsquerschnitt wurde für den Energiebereich von 40 eV bis 500 keV mit einer maximalen Unsicherheit von 15% bestimmt. Es zeigte sich, dass theoretische Abschätzungen den Querschnitt bislang um etwa einen Faktor 2 unterschätzten. In demselben Energiebereich konnte der 63-Cu(n,gamma)-Wirkungsquerschnitt mit einer maximalen Unsicherheit von 8% vermessen werden.
Das Strahldynamikdesign für den MYRRHA-Injektor wurde im Hinblick auf eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, sowie eine verbesserte Strahlausgangsemittanz, neu entwickelt und erfüllt nun die Anforderungen des Kernreaktors.
In der statistischen Fehleranalyse zeigt sich die Strahldynamik der CH-Sektion als äußerst robust und liefert selbst unter pessimistischen Fehlerannahmen eine Transmission von über 99,9 %.
Das neue Injektorkonzept bietet wesentliche Vorteile gegenüber dem in „MAX Referenzdesign 2012“ vorgestellten Injektordesign und wird als neues „MAX Referenzdesign 2014“ für den MYRRHA-Injektor verwendet. Die guten strahldynamischen Eigenschaften des neuen Injektordesigns konnten in Vergleichsrechnungen mit TraceWin am IN2P3@CNRS1 (Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules @ Centre National de la Recherche Scientifique, Orsay, Frankreich) bestätigt werden.
Neben der Strahldynamik wurde das HF-Design für die benötigten Beschleunigerkavitäten entwickelt und ebenfalls für eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit optimiert. Das HF-Design der CH-Strukturen ist für eine größtmögliche Ausfallsicherheit auf den Betrieb mit niedrigen elektrischen Feldgradienten, weit unterhalb der technischen Leistungsgrenzen und Möglichkeiten der jeweiligen Kavität, ausgelegt.
Die Druckmessung in Tieftemperatur-Vakuumsystemen stellt ein großes messtechnisches Problem dar. Für die in solchen Systemen auftretenden Drücke im UHV und XHV-Bereich werden meist Ionisationsmanometer vom Glühkathodentyp zur Druckmessung verwendet. Diese haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass durch die Verwendung einer Glühkathode zur Erzeugung freier Elektronen eine große Wärmelast in das System eingekoppelt wird. Dies führt zu einer Störung des thermischen Gleichgewichts und damit zu einer Verfälschung der Druckmessung. Weiterhin muss diese zusätzliche Wärmelast abgeführt werden, was vor allem bei kryogenen Vakuumsystemen einen erheblichen Mehraufwand darstellt.
Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Ionisationsmanometer entwickelt, dessen Glühkathode durch eine kalte Elektronenquelle ersetzt wurde. Der verwendete Feldemitter, eine kommerziell erhältliche CNT-Kathode, wurde gegenüber dem Anodengitter einer Extraktormessröhre positioniert. Mit diesem Aufbau wurden die Charakteristika von Kathode und Messröhre sowohl bei Raumtemperatur als auch unter kryogenen Vakuumbedingungen untersucht.
Dabei konnte gezeigt werden, dass die modifizierte Messröhre auch bei einer Umgebungstemperatur von 6 K ohne funktionale Einbußen betrieben werden kann und der gemessene Ionenstrom über mehrere Dekaden linear mit dem von einer Extraktormessröhre mit Glühkathode gemessenen Referenzdruck ansteigt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Extraktor mit CNT-Kathode unter diesen kryogenen Bedingungen deutlich sensitiver auf geringe Druckschwankungen reagiert als sein Äquivalent mit Glühkathode.