Ionenstrahltransport mit Raumladungslinsen

Transkript

1 Ionnstrahltransport mit Raumladungslinsn Olivr Musl

2 Nichtnutrals Plasma für di Ionnstrahlfokussirung Rstgasluchtn angrgt durch di ingschlossn Raumladungswolk Eingschlossn Elktronn-wolk Eingschlossn Protonn-wolk

3 Übrsicht Konzpt dr Gabor-Lins, in Historischr Übrblick Thortisch und numrisch Aspkt ds Plasmainschlusss Untrsuchung dr ingschlossnn Raumladungswolk Strahltransportxprimnt mit inm RFQ-Bschlunigr

4 Historischr Übrblick Fokussirung ins Elktronnstrahls mit inm Gasntladungsplasma Exprimntllr Aufbau

5 Historischr Übrblick Elctrical & Elctronic Enginring Dpartmnt, Imprial Collg London Raumladungslins mit stabil ingschlossnr Elktronnwolk

6 Historischr Übrblick Erst Strahltransportxprimnt mit Gabor- Linsn Analys dr Vrlustström

7 Historischr Übrblick Mit dm ursprünglichn Layout vrglichbar Gabor-Lins Strahltransportmssungn, Abbildungsignschaftn dr Lins

8 Historischr Übrblick Entwicklung von Gabor-Linsn am IAP-Frankfurt Solnoid Solnoid Erdlktrodn Elktronn Erdlktrodn Anod - - Erdlktrodn Anodn Prototyp ohn xtrn Elktronnqull Φ A,max = 6 kv B z,max = 350 G Gabor-Linsninsätz für Solnoid Φ A,max = 6 kv B z,max = 7 kg Gabor-Doppllins im vorhandnn Solnoidn Φ A,max = 6 kv B z,max = 7 kg

9 Gabor-Lins für nidrig Strahlnrgin (40 kv) Linsnparamtr: Φ A,max = 8,5 kv B z,max = 480 G Aufbau dr vrwndtn Lins Potntial- und Magntfldvrtilung auf dr Achs dr Lins

10 Gabor-Lins für mittlr Strahlnrgin (500 kv) Linsnparamtr: Φ A,max = 65 kv B z,max = 2,2 kg Hochfld-Gabor-Lins (HGL) Potntial- und Magntfldvrtilung auf dr Achs dr Lins

11 Radialr Einschluss Kräftglichgwicht in inm radial ingschlossnn, kaltn NNP y r Θ v,θ Summ aus lktrostatischr und zntrifugalr Kraft Elktron magntisch Kraft x z Bz Krisbahn Zylindrisch homogn Elktronndichtvrtilung ingbttt in in uniforms axials magntischs Fld Radials Kräftglichgwicht für inn achsnzntrirtn Elktronn-orbit

12 Radialr Einschluss Kräftglichgwichts-Glichung 2, Θ m v r = E v B r, Θ z E r ist durch di Poisson-Glichung bstimmt: 1 r r re r = n (r) ε 0 nach Intgration für 0 < r <R p folgt: E r 1 = 2 ε 0 n r 2 ω 2 p ω = ω Ω 2 v, Θ ω = 2 ω p Ω r 2 n = ε m = 0 B m z Einführung Winklgschwindigkit Plasma-Frqunz Zyklotron-Frqunz

13 Radialr Einschluss ω F = ω = ± ± Ω L NM HG Lösungn für ω ω Ω p I KJ 1 2 O QP Einschlussffizinz κ r ω = Ω p hoh Dichtn ω κ r = 1 = ω = Ω 2 + ω = ω ω ω = + ω nidrig Dichtn κ r << 1 2 ω p E r = ω 2 rb ; = Ω Ω + z Zwi Lösungn dr Winklgschwindigkit

14 Radialr Einschluss Trajktori ins Elktrons für vrschidn Füllgrad Füllgrad κ = 42 % Füllgrad κ = 100 %

15 Longitudinalr Einschluss Potntialdprssion durch in longitudinal ingschlossns, kalts NNP Φ r = 0 Φ Φ r r Φ = 2 = Φ anod anod Potntialdprssion durch dn Einschluss von Elktronn Φ r ist durch di Poisson-Glichung bstimmt: 2 1 Φr Φ r n( r) 2 = r r r ε Intgration für 0 < r <R p Φ r nr = 4ε 0 2 für in vollständig potntial dprssion Φ = Φ Φ anod = nr 4ε anod Einschlussffizinz κ l = Φ Φ r anod r

16 Numrisch Simulation ds Plasmainschlusss radialr Einschluss radial Einschlussffizinz κ r ω = ω p, numrik p, thory longitudinalr Einschluss longitudinal Einschlussffizinz κ l ω = ω p, numrik p, thory ω p, r ω p, l B z ; Φ = const. E E E r B Laplac z Diffusion übr Fldlinin hinwg ω, ω, Φ ; B = const. p l p r A z Einfluss dr Elktrodngomtri auf ω p Elktronnvrlust in Abhängigkit von T

17 Numrisch Simulation ds Plasmainschlusss Fldvrtilung auf inm numrischn 2D-Gittr Vrtilung ds magntischn Flds brchnt Tilchndichtvrtilung Potntialvrtilung Gomtri ds Elktrodnsystms Darstllung dr Bnutzrobrfläch ds Simulationsprogramms

18 Numrisch Simulation ds Plasmainschlusss radialr Einschluss untr Brücksichtigung ds longitudinaln Einschlusss ω = ω = ω p p, r p, l mit V A 2 2 ra = ω p, l 4m und B F I z = ω p, r H K 2m V A 2 ra = 8m B 2 z Elktronndicht als Funktion von B z und V a ω, ω, B z ; V = konst. p r p l A

19 Numrisch Simulation ds Plasmainschlusss Einfluss dr xtrnn lktomagntischn Fldr auf dn radialn Elktronninschluss E E E r B Laplac z E ( r) = f B ( r) B 2 c z h E r r ( ) E ( r) E ( r) B Laplac Elktrischs Fld als Funktion von r und z im Innrn dr Gabor-Lins Elktrischs Fld als Funktion von r für z = 108 mm

20 Numrisch Simulation Longitudinal Elktronnvrlust als Funktion dr Plasmatmpratur T Φ( z, r = const) ρ( z, r = const) = ρ( z = Φmax, r = const) xp k T L NM b O QP Elktronndichtvrtilung im Potntial Φ Α (z) für vrschidn Elktronntmpraturn

21 Produktion ds NNP Produktionsmchanismn für di Linsnlktronn 2,0+16 1,75+16 lctrons rsidual gas ions bam ions γ + RGA RGI + + γ ' + RGA RGI + 2 Production: 3,8 E-21 m E6 m s - U = 100 V 1,5+16 RGI + RGA 2RGI + n [m ] -3 1, ,0+16 7,5+15 5,0+15 2,5+15 0,0+0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 t [s] Elktronndicht als Funktion dr Zit für vrschidn Produktionsmchanismn BI + RGA BI + RGI + 8 E-21 m 2 Linsnparamtr: B z = 0,046T Φ A = 25 kv p = 2-7 mbar Hlium + H U = 10 kv

22 Eignschaftn ds NNP Vrglich mit andrn Plasmn Linsnparamtr: Bz = 0,046T ΦA = 25 kv κr = κl = 0,4 Plasmaparamtr: T = 2350 V n = 5,53E9 cm-3 Plasmadiagramm mit dm in inr Gabor-Lins inmgschlossnn NNP

23 Untrsuchung ds nichtnutraln Plasmas inig Mthodn für di Diagnostik dr Plasmaparamtr LASER optisch Mthodn Rstgasluchtn HF-Sond Enrgispktroskopi dr Vrlustlktronn und Rstgasionn Ionnstrahltransport

24 Untrsuchung ds Rstgasluchtns Datnrfassung Druckrglung und -kontroll Elktronnwolk CCD - Kamra Vakuumfnstr Gabor - Lins Vakuumpump (500 l/s) xprimntllr Aufbau Mssung dr Luchtdicht als Funktion ds Anodnpotntials V A

25 Untrsuchung ds Rstgasluchtns numrisch Ergbniss xprimntll Ergbniss 0,032 0,032 0,030 0,030 0,028 0,028 B / T z 0,026 0,024 B / T z 0,026 0,024 0,022 0,022 0,020 0,020 0,018 0, Φ A / V 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1, Φ A / V normirt Elktronndichtvrtilung (Simulation) und gmssn Luchtdichtvrtilung als Funktion dr Linsnparamtr

26 Untrsuchung ds Rstgasluchtns optisch Spktroskopi xprimntllr Aufbau zur optischn Spktroskopi ds Rstgasluchtns

27 Optisch Spktroskopi ds Rstgasluchtns Grim, Plasma Spctroscopy,1964 k T B = ln E E F HG 3 I λ g f 3 I λ gf I KJ Argon p = 1E-5 mbar B z = 0,026 T Φ A = 2-24 kv CCD - Kamrabild Luchtdichtintnsität als Funktion dr Wllnläng mittlr kintisch Enrgi dr Elktronn als Funktion ds Anodnpotntials (rot)

28 Strahltransportxprimnt Bschlunigrlabor am IAP schmatisch Darstllung ds Injktors

29 Strahltransportxprimnt Ionnstrahlrzugung und Extraktion Erdlktrod Scrning - Elktrod Plasmalktrod Filamnt Gasinlaß Anod Solnoid Plasmagnrator Extraktionssystm Aufbau dr am IAP vrwndtn Volumnqull

30 Strahlanpassung im Extraktionssystm r Plasmalktrod Plasma Scrning- ErdElktrod lktrod Eint > Ext Ionnstrahl Plasmarandschicht z Eint = Ext Eint < Ext Numrisch brchnt Strahlanpassung

31 Strahldiagnos - Emittanzmssung Schlitz Gittr a Schlitz-Gittr- Emittanzmssanlag Ionnstrahl Tilstrahl x b l Auswrtung s TCP/IP Allison- Emittanzmssanlag Schlitz (j 0.2 mm) Mßwrtrfassung Ionn- 0.5% U DO Rampn Gnrator s Triggr 12 bit ADC Multiplxr strahl Ortsposition Dtktor U DU 0.5% Stromvrstärkr Schrittmotor Sturung Ablnkung Signal Position sampl & hold r r s Sturung(RS232) s Dig. I/O

32 Ionnstrahlrzugung und Extraktion εrms,norm,100% =0.043 πmmmrad I = 11,2 A Bogn εrms,norm,100% =0.026 πmmmrad εrms,norm,100% =0.022 πmmmrad I Bogn = 5,6 A I Bogn = 4,0 A x / mrad x / mrad x / mrad x / mm x / mm x / mm Gmssn Phasnraumvrtilungn für vrschidn Plasmadichtn in dr Ionnqull bi inr Bschlunigungsspannung von U x = 10 kv

33 Nidrnrgtischr Strahltransport Low Enrgy Bam Transport - LEBT xprimntllr Aufbau ds Transportkanals LEBT-Systm mit Ionnqull und RFQ

34 Nidrnrgtischr Strahltransport Mssung dr Phasnraumvrtilung Emittanz 100 εrms,norm,100% = 0,043πmmmrad 100 εrms,norm,100% = 0,039 πmmmrad B z = 6,6 mt Φ A = 1,85 kv x / mrad 0 x / mrad x / mm x / mm gmssn (links) und numrisch bstimmt (rchts) Phasnraumvrtilung, W b = 14 kv, I = 11 ma

35 Nidrnrgtischr Strahltransport Mssung dr Phasnraumvrtilung Emittanz 100 εrms,norm,100% = 0,078πmmmrad 100 εrms,norm,100% = 0,036πmmmrad B z = 7,7 mt Φ A = 2,6 kv x / mrad 0 x / mrad x / mm x / mm gmssn (links) und numrisch bstimmt (rchts) Phasnraumvrtilung, W b = 14 kv, I = 11 ma

36 Strahltransportxprimnt Vrglich zwischn thortischn, numrischn und xprimntlln Ergbnissn 1 f = r r 0 = 2 k l = n 4ε W 0 B Lins 1 n,max [m -3 ] n [m -3 ] radial nclosur longitudinal nclosur Simulation 2.1E E E+14 (71%/93%) 2.1E E E+14 (48%/63%) Masurmnt E+13 (38%/49%) Lins 2 n,max [m -3 ] n [m -3 ] radial nclosur longitudinal nclosur Simulation 2.9E E E+14 (72%/90%) 2.9E E E+14 (49%/61%) Masurmnt E+14 (49%/61%)

37 Ergbniss dr Strahltransportxprimnt - LEBT xprimntll bstimmtr Füllgrad als Funktion dr Linsnparamtr Abbildungsfhlr ausgdrückt durch das Emittanzwachstum als Funktion dr Linsnparamtr

38 Strahlbschlunigung durch dn RFQ Schmatischr Aufbau ds Rsonators mit modulirtn Elktrodn Installirt Elktrodn und Einkopplung

39 Strahlbschlunigung durch dn RFQ nur für di Dsign-Listung im Rsonator ist in Bschlunigung ds Ionnstrahls möglich Enrgispktrum ds Ionnstrahls nach dm RFQ

40 Strahltransportxprimnt mit dr Hochfld-Gabor-Lins schmatisch Darstllung ds Transportkanals und dr Diagnos

41 Strahlfokussirung mit dr HGL Mssung dr Phasnraumvrtilung 1 f = r r 0 = 2 k l = n 4ε W 0 B Lns n,max [m -3 ] n [m -3 ] radial nclosur 1,02E+16 1,02E+16 longitudinal nclosur Simulation 6,14E+15 5,7E+14 (5,6% / 9,3%) 6,14E+15 3,5E+14 (3,4% / 5,7%) Masurmnt ,6E+15 (25,5% / 42,3%) Gmssn Emittanzn mit und ohn Fokussirung durch di HGL in dr x- und y-ebn

42 Ergbniss dr Strahltransportxprimnt nach dm RFQ xprimntll bstimmtr Füllgrad als Funktion dr Linsnparamtr Abbildungsfhlr ausgdrückt durch das Emittanzwachstum als Funktion dr Linsnparamtr

43 Zusammnfassung di thortisch Bschribung ds Plasmainschlusss konnt durch witr Randbdingungn in dr numrischn Simulation rwitrt wrdn di xprimntll Bstimmung dr Eignschaftn ds ingschlossnn NNP rmöglichn in gzilt Einflussnahm auf das Linsndsign di Strahltransportxprimnt zign gut optisch Eignschaftn diss Linsntyps Offn Fragn wi z.b. di Möglichkit dr Raumladungskompnsation von Mikrobunchn muss noch untrsucht wrdn

44 Offn Fragn zu Raumladungskompnsation Möglichkit ins Raumladungskompnsirtn Strahltransports? A. Lifschitz LPGPU Paris XI Orsay - Franc Raumladungskompnsation ins Mikrobunchs