Experimente und Simulationen zur Filterung und Injektion in einen toroidalen Ionenspeicherring

Experiments and simulations for filtering and injection into a toroidal ion storage ring

  • Die in dieser Arbeit durchgeführten theoretischen Untersuchungen, Simulationen und Experimente hatten das Ziel, die Erforschung der Injektion in sowie des Transports von Ionenstrahlen bestehend aus verschiedenen, einzelnen Wasserstoffionenspezies durch toroidale Magnetfeldstrukturen zu ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Filter- und Detektorsystem für Wasserstoffionenstrahlen – ein Filterkanal – entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zunächst wurde mittels theoretischer Betrachtungen das Konzept des Kanals und die Funktionalität der Filterung sowie Vermessung der Strahlzusammensetzung analysiert. Danach wurde der Kanal mit Hilfe von Simulationen ausgelegt und anschließend nach genauen Vorgaben gebaut. Gleichzeitig wurde mittels weiterer Simulationen das Strahlverhalten im Kanal genauer analysiert und zusätzlich die Auswirkungen verschiedener Parameter auf das Filterverhalten des Kanals untersucht. Anschließend wurde der zusammengebaute Kanal mittels Experimenten erforscht. Dabei wurden mehrere Experimente mit verschiedenen Quellen- und Strahlparametern durchgeführt, wobei vor allem die Filtereigenschaften sowie die Vermessung der Strahlzusammensetzung umfangreich untersucht und im Bezug auf die Funktionalität des Filterkanals diskutiert wurden. Des Weiteren befasste sich diese Arbeit mit dem Aufbau des Injektionsexperiments zur Untersuchung der Injektion eines Wasserstoffionenstrahls zwischen zwei Toroidsegmente. Dazu wurde ein höhenverstellbarer Injektor samt Hochspannungsterminal und Peripherie entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser besteht aus einer Volumenionenquelle, einer neu entwickelten Faraday-Tasse sowie einem Solenoid. Die Faraday-Tasse, welche zur Vermessung des Quellenstroms im neuen Injektor sowie zusätzlich zur Vermessung des Ionenstrahlstroms hinter dem Filterkanal eingesetzt wird, wurde dabei im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, experimentell durchgemessen und auf ihre Funktionalität geprüft. Im Zusammenhang mit dem Hochspannungsterminal für den neuen Injektor wurden die verschiedenen Möglichkeiten für die Verschaltung einer Volumenionenquelle mit dem dazugehörigen Hochspannungsterminal diskutiert und der Zusammenhang zur Strahlenergie hergestellt. Mittels theoretischer Rechnungen wurde der aufgrund der RxB Drift benötigte Höhenunterschied zwischen Injektionskanal und Transportkanal für das Injektionsexperiment bestimmt und der neue Injektor auf den errechneten Bereich vorkonfiguriert. Zusätzlich wurde mittels Simulationen die optimale Strahlenergie bestimmt, bei der der Strahl beim Transport durch den Transportkanal angepasst ist und somit die Auswirkung der Driftsektion zwischen den beiden Toroidsegmenten sowie die Beeinflussung durch das Injektionssystem am geringsten sein sollten. In diesem Zusammenhang wurde auch auf die möglichen Geometrien zum Aufbau des Injektionsexperiments eingegangen und mittels der angesprochenen Untersuchungen eine Geometrie für den Aufbau des Injektionssystems festgelegt.
  • The theoretical investigations, simulations and experiments done in this thesis targeted the research of the injection into and the transport of ion beams composed of different particular hydrogen ion species through toroidal magnetic field structures. Thereto a new filter- and detection system for hydrogen ion beams – a filter channel – was developed, established and investigated within this work. First the concept of the channel and the functionality of the filtering plus the measurement of the beam composition was analyzed by using of theoretical considerations. Afterward the channel was construed by simulations and subsequently built after exact inputs. Simultaneously the beam behavior was more exact analyzed by further simulations and additionally the impact of different parameters on the filtering behavior was researched. Subsequently the put together filter channel was investigated. Thereby several experiments with different source- and beam parameters were realized whereby especially the filter characteristics and also the measurement of the beam composition were widely examined and discussed in relation to the functionality of the filter channel. Furthermore the setup of the injection system for investigation of the injection of a hydrogen ion beam between two toroidal segments was concerned within this work. Thereto a height-adjustable injector together with a high voltage terminal and periphery was developed, built and put into operation. The injector consists of a volume ion source, a new developed faraday cup and a solenoid. The faraday cup which applied for measurement of the source current of the new injector and additionally for measurement of the ion beam current behind the filter channel was developed, experim entally measured and tested for functionality within this work. In the context of the high voltage terminal for the new injector the different options for wiring of a volume ion source with the corresponding high voltage terminal were discussed and the correlation to the beam energy was made. Using theoretical calculations the drop based on the RxB drift between the injection channel and transport channel was conditioned and the new injector was preconfigured to this calculated range. Additionally the optimal beam energy was found using simulations by which the transport of the beam through the transport channel matched and therefore the impact of the the drift section between the two toroidal segments and also the interference through the injection system should be at the slightest. In this context possible geometries for the setup of the injection experiment were discussed and by using the mentioned investigations and other motivations a geometry for the setup of the injection system was fixed.

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Metadaten
Author:Heiko Niebuhr
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-327538
Publisher:Univ.-Bibliothek
Place of publication:Frankfurt am Main
Advisor:Ulrich Ratzinger, Martin Droba
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of Completion:2014
Year of first Publication:2014
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2013/10/18
Release Date:2014/01/21
Tag:Faraday-Tasse; Filterkanal; Impulsspektrometer; Injektionssystem; Strahldynamik; Toroidales Magnetfeld
beam dynamics; faraday cup; filter channel; injection system; momentum spectrometer; toroidal magnetic field
GND Keyword:Magnetspektrometer; Protonenstrahl; Toroidales Magnetfeld; Speicherring; Strahldynamik
Page Number:131
HeBIS-PPN:335642705
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen