Ionnstrahltransport mit Raumladungslinsn Olivr Musl
Nichtnutrals Plasma für di Ionnstrahlfokussirung Rstgasluchtn angrgt durch di ingschlossn Raumladungswolk Eingschlossn Elktronn-wolk Eingschlossn Protonn-wolk
Übrsicht Konzpt dr Gabor-Lins, in Historischr Übrblick Thortisch und numrisch Aspkt ds Plasmainschlusss Untrsuchung dr ingschlossnn Raumladungswolk Strahltransportxprimnt mit inm RFQ-Bschlunigr
Historischr Übrblick Fokussirung ins Elktronnstrahls mit inm Gasntladungsplasma Exprimntllr Aufbau
Historischr Übrblick Elctrical & Elctronic Enginring Dpartmnt, Imprial Collg London Raumladungslins mit stabil ingschlossnr Elktronnwolk
Historischr Übrblick Erst Strahltransportxprimnt mit Gabor- Linsn Analys dr Vrlustström
Historischr Übrblick Mit dm ursprünglichn Layout vrglichbar Gabor-Lins Strahltransportmssungn, Abbildungsignschaftn dr Lins
Historischr Übrblick Entwicklung von Gabor-Linsn am IAP-Frankfurt 1990 1997 2000 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
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
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
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
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
Radialr Einschluss ω F = ω = ± ± Ω L NM HG Lösungn für ω ω 2 1 1 2 2 2 Ω p I KJ 1 2 O QP Einschlussffizinz κ r ω = 2 2 2 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
Radialr Einschluss Trajktori ins Elktrons für vrschidn Füllgrad Füllgrad κ = 42 % Füllgrad κ = 100 %
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 0 2 0 anod Einschlussffizinz κ l = Φ Φ r anod r
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
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
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 2 2 2 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
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
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
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 2-3 -1 1 E6 m s - U = 100 V 1,5+16 RGI + RGA 2RGI + n [m ] -3 1,25+16 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
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
Untrsuchung ds nichtnutraln Plasmas inig Mthodn für di Diagnostik dr Plasmaparamtr LASER optisch Mthodn Rstgasluchtn HF-Sond Enrgispktroskopi dr Vrlustlktronn und Rstgasionn Ionnstrahltransport
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
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 0,018 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Φ A / V 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Φ A / V normirt Elktronndichtvrtilung (Simulation) und gmssn Luchtdichtvrtilung als Funktion dr Linsnparamtr
Untrsuchung ds Rstgasluchtns optisch Spktroskopi xprimntllr Aufbau zur optischn Spktroskopi ds Rstgasluchtns
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)
Strahltransportxprimnt Bschlunigrlabor am IAP schmatisch Darstllung ds Injktors
Strahltransportxprimnt Ionnstrahlrzugung und Extraktion Erdlktrod Scrning - Elktrod Plasmalktrod Filamnt Gasinlaß Anod Solnoid Plasmagnrator Extraktionssystm Aufbau dr am IAP vrwndtn Volumnqull
Strahlanpassung im Extraktionssystm r Plasmalktrod Plasma Scrning- ErdElktrod lktrod Eint > Ext Ionnstrahl Plasmarandschicht z Eint = Ext Eint < Ext Numrisch brchnt Strahlanpassung
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
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
Nidrnrgtischr Strahltransport Low Enrgy Bam Transport - LEBT xprimntllr Aufbau ds Transportkanals LEBT-Systm mit Ionnqull und RFQ
Nidrnrgtischr Strahltransport Mssung dr Phasnraumvrtilung Emittanz 100 εrms,norm,100% = 0,043πmmmrad 100 εrms,norm,100% = 0,039 πmmmrad 50 50 B z = 6,6 mt Φ A = 1,85 kv x / mrad 0 x / mrad 0 50 50-100 -20-10 0 10 20 x / mm -100-20 -10 0 10 20 x / mm gmssn (links) und numrisch bstimmt (rchts) Phasnraumvrtilung, W b = 14 kv, I = 11 ma
Nidrnrgtischr Strahltransport Mssung dr Phasnraumvrtilung Emittanz 100 εrms,norm,100% = 0,078πmmmrad 100 εrms,norm,100% = 0,036πmmmrad 50 50 B z = 7,7 mt Φ A = 2,6 kv x / mrad 0 x / mrad 0 50 50-100 -20-10 0 10 20 x / mm -100-20 -10 0 10 20 x / mm gmssn (links) und numrisch bstimmt (rchts) Phasnraumvrtilung, W b = 14 kv, I = 11 ma
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+14 1.6E+14 1.5E+14 (71%/93%) 2.1E+14 1.6E+14 1.0E+14 (48%/63%) Masurmnt ----------- 7.9E+13 (38%/49%) Lins 2 n,max [m -3 ] n [m -3 ] radial nclosur longitudinal nclosur Simulation 2.9E+14 2.3E+14 2.1E+14 (72%/90%) 2.9E+14 2.3E+14 1.4E+14 (49%/61%) Masurmnt ----------- 1.4E+14 (49%/61%)
Ergbniss dr Strahltransportxprimnt - LEBT xprimntll bstimmtr Füllgrad als Funktion dr Linsnparamtr Abbildungsfhlr ausgdrückt durch das Emittanzwachstum als Funktion dr Linsnparamtr
Strahlbschlunigung durch dn RFQ Schmatischr Aufbau ds Rsonators mit modulirtn Elktrodn Installirt Elktrodn und Einkopplung
Strahlbschlunigung durch dn RFQ nur für di Dsign-Listung im Rsonator ist in Bschlunigung ds Ionnstrahls möglich Enrgispktrum ds Ionnstrahls nach dm RFQ
Strahltransportxprimnt mit dr Hochfld-Gabor-Lins schmatisch Darstllung ds Transportkanals und dr Diagnos
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 ----------- 2,6E+15 (25,5% / 42,3%) Gmssn Emittanzn mit und ohn Fokussirung durch di HGL in dr x- und y-ebn
Ergbniss dr Strahltransportxprimnt nach dm RFQ xprimntll bstimmtr Füllgrad als Funktion dr Linsnparamtr Abbildungsfhlr ausgdrückt durch das Emittanzwachstum als Funktion dr Linsnparamtr
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
Offn Fragn zu Raumladungskompnsation Möglichkit ins Raumladungskompnsirtn Strahltransports? A. Lifschitz LPGPU Paris XI Orsay - Franc Raumladungskompnsation ins Mikrobunchs