Low Energy Beam Transport and Diagnostic

LEBT 

IAP Uni - Frankfurt 

Low Energy Beam Transport and Diagnostic 

Fortschritte bei der Entwicklung von 

Gabor-Plasmalinsen 

C. Gabor, A. Jakob, O. Meusel*, J. Pozimski, U. Ratzinger, J. Schäfer 

TU - Darmstadt 2003

LEBT 



Entwicklung von Plasmalinsen 

z.B. Z-Pinch-Linsen 

Entwicklung von Gabor-Linsen

LEBT 



D. Gabor

LEBT 



Longitudinaler Elektroneneinschluß 

a) 

b) 

c) 

F 

F 

F 

- 

e - 

e 

- 

e - 

e 

- 

e - 

e 

einfachster Ansatz 

unter Annahme einer homogenen Verteilung 

ist die Maximaldichte: 

für thermalisierte Elektronen gilt: 

z 

z 

z

LEBT 



Radialer Elektroneneinschluß 

Bewegungsgleichung geladener Teilchen in 

elektrischen und magnetischen Feldern 

Winkelgeschwindigkeit 

Maximaldichte 

elektrische Diffusion in 

gekreuzten elektrischen 

und magnetischen Feldern im Zylinderpotential

LEBT 



Theoretische Einschlußbedingungen 

A 

Arbeitsfunktion 

A) Kleinstes magnetisches Feld für den Einschluß 

(abhängig von der Elektrodengeometrie) 

B) Radiale Einschlußbedingung 

(Briollionflow / Gabor: ) 

C) Radiale Verluste durch Diffusion über Feldlinien 

B 

D) Maximaler longitudinaler Einschluß (Anodenpotential) 

C 

n B 

e µ 2 

D

LEBT 



Aufbau der Gabor - Plasma - Linse 

Erdblenden 

Plasma 

Anode 

Magnetfeldspule 

Externe Felder

LEBT 


*** 

SI 


Reaktionsgleichung 

Erzeugung der Linsenelektronen 

- 

e 

RGA 

- 

e 

- 

e 

Wirkungsquerschnitt 

H. Vogel, Gerthsen Physik,Springer, Heidelberg (1999) 

RGI 

Projektil / Energie 

* R.K Janev, W.D. Langer, K. Evans, D.E. Post, 

Elemetary processes in hydrogen-helium plasmas, Springer, Heidelberg (1987) 

** Y.-K. Kim, W.R. Johnson, and M.E. Rudd, Phys. Rev. A 61, 034702 (2000).

LEBT 


U [V] 


Linsenfüllung durch Gasentladung 

Zündbedingung für ein Plasma nach Paschen 

p*d [Pa*mm] 

Helium 

Argon 

Wasserstoff 

Die Kurven trennen das Gebiet der Gasentladung (oberhalb) 

von dem Gebiet in dem keine Gasentladung stattfindet.

LEBT 


A) 

B) 

C) 


Numerische Simulation der Elektronendichte für 

konstantes Anodenpotential F = 3000 V 

anode 

- 

Bz,max = 80 × 10 T 

4 

- 

B = 90 × 10 T 

4 

z,max 

- 

B = 100 × 10 T 

4 

z,max 

n = 2, 4 × 10 m 

e,max 

14 -3 

n = 2, 7× 10 m 

e,max 

14 -3 

n = 2, 4 × 10 m 

e,max 

14 -3

LEBT 


B) 


- 

Bz,max = 5× 10 T 

2 

Numerische Simulation der Elektronendichte für 

konstantes Magnetfeld . 

A) F = 2000 V 

Anode 

F = 3000 V 

Anode 

C) F = 4000 V 

Anode 

n = 1, 5× 10 m 

e,max 

14 -3 

n = 2,2 × 10 m 

e,max 

14 -3 

n = 2, 7 × 10 m 

e,max 

14 -3

LEBT 



Plasmaanalyse durch Beobachtung des 

Restgasleuchtens 

Messung der Verteilung der Leuchtintensität 

Intensität [a.u.] 

Int. [a.u.] 

4000 

3500 

3000 

2500 

2000 

1500 

1000 

500 

14000 

12000 

10000 

0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 

8000 

6000 

4000 

2000 

0 

1 2 

3 

4 

5 

x [mm] 

Optische Spektroskopie des Restgasleuchtens 

6 

7 

l [nm] 

400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 

8 

Nr. Quelle l [nm] 

1 Xe + 429,0 

2 Xe + 433,0 

3 Xe 450,1 

4 Xe 462,4 

5 Xe 491,6 

5 Xe 492,3 

6 Xe 502,8 

7 Xe + 508,0 

8 Xe 529,2 

9 Xe + 566,7 

9

LEBT 


D BiGPL 


Strahlenergie U End=440 

kV 

Strahlstrom I End=10 

mA 

generalisierte Perveanz K= 4,45E-5 

K 

6 

1 

5 

2 

4 3 

7 8 9 

Aufbau Testinjektor 1 

RFQ 

IH 

LEBT-Sektion aus Gabor-Linsen 

D GPL P 

Entwicklung einer Gabor-Linse 

für hohe Strahlenergien und Ströme 

A B 

RFQ 

Linac : 

GPL IS Power 

supply 

500 kV 

Terminal 

Bi + , 240 keV/u, 

V tot = 50 MV 

I = 200 mA 

K = 0,0053 

Strahlenergie U Ex=14 

kV 

Strahlstrom I Ex=10 

mA 

generalisierte Perveanz K= 0,00783 

500 ms 

10 MW 

20 kV 

(generalisierte Perveanz) 

Concept Studies for a Frankfurt Plasma Generator + 

U. Ratzinger 

Institut für Angewandte Physik, Universität Frankfurt 

J. A. Maruhn 

Institut für Theoretische Physik, Universität Frankfurt 

GSI-Report: GSI-2001-4 S.32 

generalisierte Perveanz

LEBT 


Gaseinlaß 

r [mm] 

30 

25 

20 

15 

10 


Anode 

Solenoid 

Ionenquelle und Extraktionsystem 

Erdelektrode 

Screening - Elektrode 

Plasmaelektrode 

5 

0 

Filament 

r [unit] 

350 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 

Apertur 13mm Position der Emi. 

Kompensationsgrad 85% 

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 

z [mm] 

16000 V -1600 V 0 V 

z [unit] 

20 units = 1 mm 

He16kV16 

Messung nach 278 mm Drift Ergebnis der Transportrechnung 

e rms,n,100% =0,0400 p mm mrad 

e rms,n,100% =0,0233 p mm mrad 

+ 

He ,I S= 

8 mA 

+ 

He ,I S= 

10 mA

LEBT 


Quelle 

Turbopumpe 


Differentielles Pumpen und erste Diagnose 

Druckmessung 

Der Restgasdruck korrespondiert mit: 

Transmission 

Kompensationsgrad 

Strahldiagnose (Restgasleuchten,RGI) 

Apertur 

r = 3/2 r Strahl 

LEBT 

Sektion 

Farradaytasse 

Turbopumpe 

Transmission [%] 

Berechnung der Transmission für den 

Verlust von Strahlionen durch Umladung 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

2e-7 4e-7 1e-6 2e-6 4e-6 1e-5 2e-5 4e-5 1e-4 

p [mbar]

LEBT 


Ion source 

500l/s 

Turbo pump 

10 cm 

Presure 

mesurement 


+ 

Schematischer Aufbau der He - LEBT 

U ex=14 kV, I ex=10 

mA 

Apertur 

D=14 mm 

GPL 1 

F = 6500 V 

max 

B = 0,0225 T 

max 

Faraday cup 

500l/s 

Turbo pump 

Absorber 

GPL 2 

F max = 6500 V 

B max = 0,0225 T 

270l/s 

Turbo pump 

Faraday cup 

RGI - spectrometer 

CCD-camera 

Presure 

measurement 

and control 

Allison type 

Emittance measurement 

+ 

He , I =8,4 mA, U =14 kV 

FDT ex

LEBT 


Ionen- 

strahl 

Ionenstrahl 

Dx 

abtasten 

Schlitz 


Emittanzmessung mit Allison-Scanner 

Schlitz (je 0.2 mm) 

rein 

raus 

Detektor 

Teilstrahl 

l 

Rampen Generator 

Stromverstärker 

Emittanzmessung 

Schlitz - Gitter Anordnung 

0.5% 

U 

DO 

U 

DU 

0.5% 

Schrittmotor Steuerung 

Gitter 

s 

Trigger 

a 

b 

Ablenkung 

Signal 

Position 

Auswertung 

N =Anzahl Drähte 

D x¢ 

= arctan 

a max 

12 bit ADC 

Multiplexer 

sample & hold 

r 

r 

s 

s 

@ arctan 

TCP/IP 

Steuerung(RS232) 

s Dig. I/O 

Meßwerterfassung 

F bI 

H lK 

F 

H 

I(N) 

N × a 

2 × l 

I 

K

LEBT 



Strahlprofilmessung mit CCD-Kamera 

vaccumvessel 

ionbeam 

hn () 

$ 

window 

* non destructive 

* high time resolution (>50 ns) 

Beam axis 

Beam edge 

r 1 =25 mm 

r soll =30.6 mm 

r 2 =37.5 mm 

current amplifier 

Faraday-Tasse 

Acceptance angle a = m 6 0 

max 

124.2 

0 90? 

0 90? 

72 kW 

0.9 pF 

18 kW 

18 kW 

0.9 pF 

72 kW 

electronically 

controled 

power supply 

AD-Converter 

r 

Data aquisition 

& evaluation 

lens system 

shutter 

r 

r 

Devar (fl. N ) 

2 

CCD Chip 

r 

A/D conversion 

& contol 

Strahlpotentialmessung mit Restgasionenenergiespektrometer 

- 

+ 

I [a.u.] 

Data aquisation 

t 

Control 

t 

Control 

U (V) 

b 

IEEE 488 Bus

LEBT 


x [mm] 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

e p 


Strahltransport durch die GPL - LEBT 

rms,n,100%=0.062 mmmrad 

2304_010 

0 

2304_010 

0 5 10 15 20 25 30 

z [mm] 

-3 

r (r ) [Cm ] 

Allison-Scanner Schlitz-Gitter 

optische Profilmessung 

0,0016 

0,0014 

0,0012 

0,0010 

0,0008 

0,0006 

0,0004 

0,0002 

Strahlionendichteprofile 

e p 

rms,n,100%=0.075 mmmrad 

r (r,2) 

r (r,15) 

r (r,30) 

0,0000 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 

r [mm] 

Linsenparameter 

Abelinversion

LEBT 


Gabor- 

Linse 

fokussiert 


Pulsung der Gabor-Linse 

defokussiert 

F = 500V 

RFQ 

- Untersuchung des zeitlichen 

Verhaltens bei Änderung der 

äußeren Felder 

- Eignung als Pre-Chopper 

- Reduktion der Leistungsdichte 

nach dem RFQ 

F = 1000V 

F = 1500V F =2000V


6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

f = 50 Hz 

Pulslänge t = 1 ms 

U [kV] LEBT 


Pulsung des Anodenpotentials 

-1 

-0,00050 -0,00025 0,00000 0,00025 0,00050 0,00075 0,00100 

t = 50 µs 

t [s] 

Pulsung der Gabor-Linse 

erste Meßergebnisse 

Trigger [V] 

F Anode [kV] 

Int [a.u.] 

zeitliche Entwicklung 

des Strahlprofils 

t [ms] 

zeitliche Entwicklung der Phasenraumverteilung 

Integrationszeit t = 25 ms 

t = 75 µs t = 100 µs 

1212_010 1212_011 

1212_012 

t = 125 µs t = 150 µs t = 200 µs 

1212_013 1212_014 

1212_015 

-30 

0 

x [mm] 

120 

0 

x [Pixel] 

x’ [mrad] 

-120 

30

LEBT 



in Zusammenarbeit mit der AG Schempp 

Four - Rod - RFQ 

Eingangsenergie: 3,5 keV/u 

Ausgangsenergie: 110 keV/u 

Elektrodenspannung: 80 kV 

Strahlstrom: 10 mA 

Tastverhältnis: £ 33 % 

Masse/Ladung: £ 16 

Betriebsfrequenz: 108,48 MHz

LEBT 



in Zusammenarbeit mit der AG Schempp 

Einfluß der Quadrupolfelder auf den 

Strahltransport am Eingang des RFQ 

dekompensierter Strahltransport 

am Übergabepunkt zwischen 

LEBT - Sektion und RFQ 

Untersuchung der Transmission und des 

Emittanzwachstums beim Transport durch 

den RFQ in Abhängigkeit von den Einschußparametern

LEBT 



Strut 

Coils 

Aufbau und externe Felder der 

großen Gabor-Linse 

Recipient 

Electrostatic 

insertion 

Vacuumrezipient mit 

Elektrodensystem 

Helmholtz-Spule 

radialer Einschluß longitudinaler Einschluß 

Ground electrode 

Anode

LEBT 


Linsenparameter 

E [V/m] 


Numerische Simulation der Elektronendichte 

und des resultierenden elektrischen Feldes 

1e+5 

8e+4 

6e+4 

4e+4 

2e+4 

0e+0 

Feldverlauf E(r,150) 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 

r [mm]

LEBT 



Ionenstrahlgeneriertes Plasma 

Untersuchung der: 

- Plasmaeigenschaften 

- Wechselwirkungsmechanismen zwischen Ionenstrahl 

und generiertem Plasma 

- Energiebilanz 

elektrost. Energiespektrometer 

elektrost. Energiespektrometer 

+ 

0,44 MeV, He 

CCD Chip 

shutter 

$ 

() 

Hintergrundbeleuchtung 

hn 

$ 

Devar (fl. N) 2 

() 

$ () 

Absorber 

Kalorimeter 

schwenkbares Target 

Targetkammer 

opt. Spektrometer 

Linsenkopplung

LEBT 



Ende des Vortrags 

und der 

Entwicklung der Gabor - Linse? 

offene Fragen bei der Linsendiagnostik: 

- Temperaturbestimmung (opt. Spektroskopie) 

- Dichtebestimmung (Mikrowelleninterferometrie) 

- Dichteverteilung (Fadenstrahlexperiment) 

- Aufbauzeit als Funktion des Restgasdruckes 

- Transport gepulster Strahlen 

offene Fragen bei den Einsatzmöglichkeiten: 

- Hochstrominjektoren 

- MEBT - Sektionen 

- Ringe 

- 

- H - Transport

Low Energy Beam Transport and Diagnostic

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