Gabor - Linsen: Fünf Fragestellungen
Gabor - Linsen: Fünf Fragestellungen
Gabor - Linsen: Fünf Fragestellungen
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LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
<strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong>:<br />
<strong>Fünf</strong> <strong>Fragestellungen</strong><br />
C. <strong>Gabor</strong>, A. Jakob, O. Meusel*, J. Pozimski, U. Ratzinger, J. Schäfer<br />
Riezlern 2003
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Aufbau und Funktion der <strong>Gabor</strong> - Linse<br />
ion beam<br />
magnetic field for<br />
radial enclosure<br />
ground electrode<br />
electron cloud<br />
anode<br />
solenoid<br />
electrostatic potential for<br />
longitudinal enclosure
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Longitudinaler Elektroneneinschluß<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
F<br />
F<br />
F<br />
-<br />
e -<br />
e<br />
-<br />
e -<br />
e<br />
-<br />
e -<br />
e<br />
einfachster Ansatz<br />
unter Annahme einer homogenen Verteilung<br />
ist die Maximaldichte:<br />
für thermalisierte Elektronen gilt:<br />
dabei sind re( z = Fmax,<br />
r = konst)<br />
und T freie Parameter, die<br />
über die longitudinalen Verluste gekoppelt sind.<br />
e<br />
z<br />
z<br />
z
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Radialer Elektroneneinschluß<br />
Bewegungsgleichung geladener Teilchen in<br />
elektrischen und magnetischen Feldern<br />
Winkelgeschwindigkeit<br />
Maximaldichte<br />
elektrische Diffusion in<br />
gekreuzten elektrischen<br />
und magnetischen Feldern im Zylinderpotential
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Überblick<br />
Sind mit <strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong> lineare<br />
Abbildungen möglich?<br />
Woher stammen die in der Linse<br />
eingeschlossenen Ladungsträger?<br />
In welcher Zeit vollzieht sich die<br />
Füllung einer <strong>Gabor</strong>-Linse?<br />
Bei welchem Restgasdruck können<br />
<strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong> betrieben werden?<br />
Ist mit <strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong> eine nichtrotationssymmetrische<br />
Strahlanpassung möglich?<br />
<strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong> eignen sich gut, um die<br />
Emittanz eines Ionenstrahles in die<br />
Akzeptanz eines RFQ’s abzubilden.
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
-3<br />
r e [Cm ]<br />
-5<br />
2 . 10<br />
-5<br />
1,5 . 10<br />
-5<br />
1 . 10<br />
-6<br />
5 . 10<br />
60<br />
40<br />
r [mm]<br />
E [V/m]<br />
20<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Elektrostatische Fokussierung mit<br />
linearer Abbildung<br />
0<br />
30000<br />
25000<br />
20000<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
0<br />
0<br />
72<br />
144 216<br />
z [mm]<br />
E [V/m]<br />
inside the cloud<br />
4 . 4<br />
10<br />
4<br />
2 . 10<br />
-2<br />
4 . 10<br />
cloud edge<br />
outside<br />
the cloud<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40<br />
0<br />
r [mm]<br />
30<br />
20<br />
r [mm]<br />
10<br />
Eine Linearitätsbedingung ist:<br />
r < r<br />
Strahl Wolke<br />
0 0<br />
P19B5,4<br />
72<br />
144<br />
216<br />
z [mm]<br />
r = 45 mm<br />
Anode
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
***<br />
SI<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Woher stammen die in der Linse<br />
eingeschlossenen Ladungsträger?<br />
Reaktionsgleichung<br />
-<br />
e<br />
RGA<br />
-<br />
e<br />
-<br />
e<br />
Wirkungsquerschnitt<br />
H. Vogel, Gerthsen Physik,Springer, Heidelberg (1999)<br />
RGI<br />
Projektil / Energie<br />
* R.K Janev, W.D. Langer, K. Evans, D.E. Post,<br />
Elemetary processes in hydrogen-helium plasmas, Springer, Heidelberg (1987)<br />
** Y.-K. Kim, W.R. Johnson, and M.E. Rudd, Phys. Rev. A 61, 034702 (2000).
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
<strong>Gabor</strong>-<br />
Linse<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
In welcher Zeit vollzieht sich die Füllung<br />
einer <strong>Gabor</strong>-Linse?<br />
fokussiert<br />
defokussiert<br />
F = 500V<br />
RFQ<br />
- Untersuchung des zeitlichen<br />
Verhaltens bei Änderung der<br />
äußeren Felder<br />
- Reduktion der Leistungsdichte<br />
nach dem RFQ<br />
F = 1000V<br />
F = 1500V F =2000V
IAP Uni - Frankfurt<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
U [kV] LEBT<br />
2<br />
1<br />
0<br />
f = 50 Hz<br />
Pulslänge t = 1 ms<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Pulsung des Anodenpotentials<br />
-1<br />
-0,00050 -0,00025 0,00000 0,00025 0,00050 0,00075 0,00100<br />
t = 50 µs<br />
t [s]<br />
Pulsung der <strong>Gabor</strong>-Linse<br />
erste Meßergebnisse<br />
Trigger [V]<br />
F Anode [kV]<br />
Int [a.u.]<br />
zeitliche Entwicklung<br />
des Strahlprofils<br />
t [ms]<br />
zeitliche Entwicklung der Phasenraumverteilung<br />
Integrationszeit t = 25 ms<br />
t = 75 µs t = 100 µs<br />
1212_010 1212_011<br />
1212_012<br />
t = 125 µs t = 150 µs t = 200 µs<br />
1212_013 1212_014<br />
1212_015<br />
-120<br />
-30<br />
0<br />
x [mm]<br />
30<br />
120<br />
0<br />
x [Pixel]<br />
x’ [mrad]
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
U [V]<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Bei welchem Restgasdruck können<br />
<strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong> betrieben werden?<br />
Zündbedingung für ein Plasma nach Paschen<br />
p*d [Pa*mm]<br />
Helium<br />
Argon<br />
Wasserstoff<br />
Die Kurven trennen das Gebiet der Gasentladung (oberhalb)<br />
von dem Gebiet in dem keine Gasentladung stattfindet.
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Argon<br />
p = 1E-4 mbar<br />
Argon<br />
p = 3E-4 mbar<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Zustand unterhalb der Paschenkurve<br />
- nichtneutrales Plasma<br />
- Strahlfokussierung möglich<br />
Zustand oberhalb der Paschenkurve<br />
- quasineutrales Plasma<br />
- für Ionenstrahlen undurchsichtig<br />
- “Extraktion” von Restgasionen<br />
aus der Linse (Penningquelle)
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
RFQ<br />
U = 440 keV<br />
I = 10 mA<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Ist ein Strahltransport mit gebrochener<br />
rotationssymmetrie der Anode sinnvoll?<br />
current<br />
transformer<br />
Strahlparameter am Ausgang des RFQ’s<br />
RFQ output, x plane<br />
e p<br />
rms,n,100%=0.018 mmmrad<br />
absorber<br />
current<br />
transformer<br />
CCD-camera<br />
Faraday cup<br />
RFQ output, y plane<br />
e p<br />
rms,n,100%=0.018 mmmrad<br />
beam<br />
dump<br />
slit - grid<br />
emittance scanner
LEBT<br />
r [mm]<br />
r [mm]<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
24<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
24<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
<strong>Linsen</strong>parameter<br />
Stralenvelope<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
z [mm]<br />
<strong>Linsen</strong>parameter<br />
Stralenvelope<br />
z [mm]<br />
GPL<br />
GPL<br />
x plane<br />
y plane<br />
x plane<br />
y plane<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
Anodenform rotationssymmetrisch<br />
final focus, x plane<br />
erms,n,100%=0.056 pmmmrad<br />
Anodenform elliptisch<br />
final focus, x plane<br />
erms,n,100%=0.036 pmmmrad<br />
y<br />
y<br />
b<br />
a<br />
x<br />
r = 35 mm<br />
final focus, y plane<br />
erms,n,100%=0.021 pmmmrad<br />
x<br />
a = 29 mm<br />
b = 35 mm<br />
final focus, y plane<br />
erms,n,100%=0.023 pmmmrad
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Ion source<br />
500l/s<br />
Turbo pump<br />
10 cm<br />
x [mm]<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
Pressure<br />
mesurement<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Exemplarische Messung nach einer LEBT - Sektion<br />
bestehend aus zwei <strong>Gabor</strong> - <strong>Linsen</strong><br />
Apertur<br />
D=14 mm<br />
GPL 1<br />
F = 6500 V<br />
max<br />
B = 0,0225 T<br />
max<br />
Faraday cup<br />
500l/s<br />
Turbo pump<br />
beam parameter<br />
lens parameter<br />
optical profile measurement<br />
2304_010<br />
0<br />
2304_010<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
z [mm]<br />
-3<br />
r (r ) [Cm ]<br />
Absorber<br />
GPL 2<br />
F max = 6500 V<br />
B max = 0,0225 T<br />
270l/s<br />
Turbo pump<br />
0,0016<br />
0,0014<br />
0,0012<br />
0,0010<br />
0,0008<br />
0,0006<br />
0,0004<br />
0,0002<br />
Faraday cup<br />
RGI - spectrometer<br />
CCD-camera<br />
Pressure<br />
measurement<br />
and control<br />
Allison type<br />
emittance measurement<br />
Allison scanner<br />
erms,n,100%=0.062 pmmmrad<br />
ion density distribution<br />
r (r,2)<br />
r (r,15)<br />
r (r,30)<br />
0,0000<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0<br />
r [mm]
LEBT<br />
IAP Uni - Frankfurt<br />
Low Energy Beam Transport and Diagnostic<br />
Zusammenfassung<br />
offene Fragen bei der <strong>Linsen</strong>diagnostik:<br />
- Temperaturbestimmung (opt. Spektroskopie)<br />
- Dichtebestimmung (Mikrowelleninterferometrie)<br />
- Dichteverteilung (Fadenstrahlexperiment)<br />
- Aufbauzeit als Funktion des Restgasdruckes<br />
- Transport gepulster Strahlen<br />
offene Fragen bei den Einsatzmöglichkeiten:<br />
- Hochstrominjektoren<br />
- MEBT - Sektionen<br />
- Ringe<br />
-<br />
- H - Transport
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