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Christoph Wiesner

• 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 a fast chopper system for a low energy high intensity proton beam was investigated. The chopper system will be installed in the Low Energy Beam Transport (LEBT) section of the Frankfurt Neutron Source facility (FRANZ), where the proton driver beam has an energy of 120 keV, with intensities up to 200 mA. The generation of a pulsed beam with a 50 to 100 ns flat top at a repetition rate of 250 kHz is required. After discussing different chopper concepts the use of a kicker system is proposed. Magnetic and electric kickers are characterized regarding geometry, deflecting fields, beam dynamics, emittance growth, power consumption and mode of operation i.e. pulsed or oscillatory. The design of the chopper system is studied using numerical simulations and pre-experiments. A Particle-in-cell (PIC) code developed for this purpose is presented. It allows the simulation of multi-particle scenarios in time-dependent kicker fields while considering the effects of secondary electrons. The pre-experiments for the driver of the kicker system are described. In the case of the magnetic kicker a low inductance test coil and in the case of the electric kicker a transformer consisting of a nanocrystalline tape wound core was constructed. Altogether, both systems are compared with each other. A magnetic kicker is less susceptible to beam losses and can be operated without risk of voltage breakdowns even at high beam intensities. But at the required high repetition rate the power consumption is not acceptable. Therefore the development of an electric kicker system is proposed.