2 Theoretische Grundlagen - Institut für Kernphysik - Johannes ...

4 Untersuchungen zur Strahlfleckgröße
dass der Strahldurchmesser in transversaler Richtung jetzt 800 μm beträgt, also vier Mal
größer ist als vorher. Die graue Kurve hat jetzt sehr große Ähnlichkeit mit dem reinen
transversalen Profil vor der Ablenkung (lila) und der Einfluss des Cavity sind kaum noch
zu erkennen.
Bei bisherigen Messungen wurde mit einem ersten Doppelsolenoiden auf Position 15
der Strahlführung fokussiert, dann mit einem weiteren Solenoidenpaar auf den Spalt bei
Position 20 . Mit dieser Einstellung (siehe auch Abbildung 4.2) konnten keine kleineren
Strahlflecke als solche mit einem minimalen Durchmesser von 200 μm FWHM erreicht
werden. Das wirft die Frage auf, ob die vorhandenen elektronenoptischen Elemente,
aufgrund von Abbildungsfehlern, kleinere Strahldurchmesser generell verbieten. Zudem
erwähnt M. Weis in [40] Probleme, mit denen bei der Erzeugung eines kleineren Fokus
gerechnet werden muss. Dazu gehören unter anderem das starke Ausleuchten des letzten
Solenoidenpaares und Strahlverluste durch enge Aperturen.
In diesem Kapitel soll ein neues Konzept zur Fokussierung vorgestellt werden, mit
dem die meisten von M. Weis erwähnten Probleme umgangen werden könnten. Außerdem
werden Simulationen zur minimalen, mit den eingebauten Elementen möglichen
Strahlfleckgröße durchgeführt.
4.1 Neue Fokussierung
BEAMOPTIK 1 -Simulationen haben gezeigt, dass bei Fokussierung auf die Position bei
Scanner 15 ein hochgradig divergenter Strahl im hinteren Teil der Strahlführung entsteht,
der mit den Solenoiden 17 und 18 wieder fokussiert werden muss. Der neue Ansatz
bestand nun darin, einen annähernd parallelen Strahl am Eingang dieses Doppelsolenoiden
zu erzeugen, um den Strom und damit die Randfelder in den Magneten so klein
wie möglich zu halten. Die Einstellung eines Strahls mit minimaler Divergenz erwies
sich allerdings als äußerst schwierig, da es in der Strahlführung insgesamt nur drei
Leuchtschirme gibt, mit denen eine Strahlfleckbeobachtung möglich ist. Experimente
mit veschiedenen Einstellungen haben zu dem Ergebnis geführt, dass man einen weitestgehend
parallelen Strahl vor Eintritt in den Doppelsolenioden erreichen kann, indem
man alle elektronenoptischen Elemente (ausgenommen den α-Magneten) abschaltet
und den Strahl ab der Kathode einfach driften lässt. Da der Strahl einen maximalen
Durchmesser von 5 mm erreicht, führen die Aperturen der differentiellen Pumpstufen
und des α-Magneten nicht zu nennenswerten Strahlverlusten. Der von BEAMOPTIK
am Spalt errechnete Strahlfleck hat bei gegebener Ausgangsemittanz an der Kathode
ca. 64 μm FWHM. Eine Halbierung der Emittanz führt zu einem Strahldurchmesser
von 32 μm, eine Viertelung sogar zu knapp 16 μm. Dazu mussten allerdings die sog.
Twiss-Parameter α, β, γ und ɛ angepasst werden deren graphische Darstellung sich in
Abbildung 4.9 findet. In der Beschleunigerphysik werden sie benutzt, um die Bewegung
der Teilchen im Phasenraum, einem sechsdimensionalen Raum der von Orts- und Impuls-
1 BEAMOPTIK ist ein von K.H. Steffens entwickeltes Computerprogramm, mit dem man den Einfluss
verschiedener elektromagnetischer Linsen auf die Einhüllende (= Envelope) eines Elektronenensembles
simulieren kann.
46