Untersuchung der transversalen Strahldynamik beim Transport eines Ionenstrahls durch zwei toroidale Magneten

Study of the transversal beam dynamics by the transport of an ion beam through two toroidal magnets

Zur Erforschung des Strahlstransports durch zwei Toroidsegmente wurden im Rahmen dieser Arbeit theoretische Betrachtungen, Simulationen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde ein toroidaler Teststand,
Zur Erforschung des Strahlstransports durch zwei Toroidsegmente wurden im Rahmen dieser Arbeit theoretische Betrachtungen, Simulationen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde ein toroidaler Teststand, bestehend aus zwei 30 Grad Toroidsegmenten mit einer magnetischen Feldstärke von 0,6 T und einer Driftsektion zwischen diesen beiden Magneten von 400 mm Länge, verwendet. Von einer Volumenionenquelle wurde ein Wasserstoffionenstrahl erzeugt und dieser mittels eines Solenoids angepasst und in das erste Toroidsegment eingeschossen. Mit Hilfe eines beweglichen Detektors konnte der Ionenstrahl an jeder Position im Rezipienten beim Transport durch den toroidalen Aufbau experimentell untersucht und vermessen werden.
Bei den Experimenten mit dem vorhandenen Detektor konnten auf den Aufnahmen der Leuchtdichteverteilung starke Sekundärelektroneneffekte beobachtet werden, welche die Untersuchung des Ionenstrahls mit dem Detektor erschwerten oder teilweise ganz unmöglich machten. Aus diesem Grund wurde zur Unterdrückung dieser Elektronen eine Wasserstoffatmosphäre im Rezipienten aufgebaut, welche die Elektronen stärker absorbiert als die Ionen und damit die Beobachtung des Ionenstrahls ermöglichen sollte. Auf diesem Wege lässt sich das transversale Verhalten des Strahls beim Strahltransport durch die toroidalen Magnetfelder mit dem vorhandenen Detektor untersuchen. Die Auswirkungen des Wasserstoffgases auf die geladenen Teilchen wurden dabei theoretisch und experimentell untersucht und analysiert. Die Auswirkung von Helium-, Stickstoff- und Argongas auf den Ionenstrahl und die Elektronen wurde in diesem Zusammenhang experimentell betrachtet.
Des Weiteren wurde mit Hilfe des Computerprogramms TBT der Strahltransport durch die zwei toroidalen Magnetfeldsegmente unter Verwendung von Referenzeinstellungen simuliert und die Ergebnisse mit den theoretischen und experimentellen Daten des Strahltransports verglichen. Bei diesen Simulationen konnten die Gyrationsbewegungen sowie die Transmission des Ionenstrahls durch die Driftsektion genauer untersucht werden.
Da die Magnetfelder der Toroidsegmente auch in der Driftsektion als Führungsfelder dienen sollen, sind die im experimentellen Aufbau verwendeten Toroidsegmente nicht magnetisch geschirmt. Dies hat zur Folge, dass das von den Magneten erzeugte Feld Auswirkungen auf andere Komponenten des toroidalen Teststandes besitzt. Aus diesem Grund wurden die Auswirkungen dieser Magnetfelder auf die Ionenquelle sowie auf das Druckmesssystem des Teststands genauer betrachtet.
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In the context of this work, the beam transport through two toroidal segments has been studied theoretically, experimentally and using numerical simulations. For that a toroidal test stand consisting of two 30 degree tor
In the context of this work, the beam transport through two toroidal segments has been studied theoretically, experimentally and using numerical simulations. For that a toroidal test stand consisting of two 30 degree toroidal segments with a magnetic field strength of 0.6 T and a drift section between these two magnets with a length of 400 mm were used. A volume type ion source generated a hydrogen ion beam that was adjusted by a solenoid and injected into the first toroidal segment. By means of a movable detector the ion beam could experimentally be examined and measured at every position inside the transport experiment.
During the experiments with the available detector strong secondary electron effects were observed on the luminance distribution. These effects made it difficult to study the ion beam with the detector or made it completely impossible. For that reason, a hydrogen atmosphere was used to suppress these electrons. Its probability to absorb electrons is higher than the probability of the ion beam thereby enabling the observation of the ion beam. This way, it is possible to examine the transversal behavior of the beam with the available detector at the beam transport through the toroidal magnetic field. The impact of the hydrogen atmosphere on the charged particles was examined experimentally and analyzed theoretically. In this context the impact of helium, nitrogen and argon gas on the ion beam and the electrons was experimentally observed.
Additionally, the beam transport through the two toroidal magnetic field segments was simulated with the computer program TBT using reference settings and its results were compared to the theoretical and experimental data of the beam transport. With these simulations the gyration and also the transmission of the ion beam through the drift section could be examined more precisely.
As the magnetic field of the toroidal segments should also serve as a guiding field the toroidal segments in use at the experimental setup are not magnetically shielded. As a consequence, the magnetic field generated by the magnets affects other components of the toroidal test stand. For that reason, the effects of this magnetic field on the ion source and also on the pressure measurement system of the test stand were investigated as well.
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Metadaten
Author:Heiko Niebuhr
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-242359
Advisor:Ulrich Ratzinger, Martin Droba
Document Type:Bachelor Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/02/01
Year of first Publication:2012
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Release Date:2012/02/01
Tag:Strahldynamik; Strahltransport; Wasserstoffatmosphäre; toroidales Magnetfeld
beam dynamics; beam transport; hydrogen atmosphere; toroidal magnetic field
SWD-Keyword:Ionenstrahl; Protonenstrahl; Speicherring; Strahldynamik; Strahlprofil; Toroidales Magnetfeld; Wasserstoffatmosphäre
Pagenumber:89
HeBIS PPN:28975903X
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen

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