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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.
