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Kollimatorsystem zur Stabilisierung des dynamischen Restgasdruckes im Schwerionensynchrotron SIS18

Omet, Carsten :
Kollimatorsystem zur Stabilisierung des dynamischen Restgasdruckes im Schwerionensynchrotron SIS18.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Kollimatorsystem zur Stabilisierung des dynamischen Restgasdrucks im Schwerionensynchrotron SIS18 - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kollimatorsystem zur Stabilisierung des dynamischen Restgasdruckes im Schwerionensynchrotron SIS18
Language: German
Abstract:

Zur Steigerung der Intensität von Schwerionenstrahlen in Ringbeschleunigern können Ionen mit mittleren statt hohen Ladungszuständen verwendet werden. Dies verschiebt die Begrenzung durch Raumladung in Richtung höherer Teilchenzahlen und vermeidet Strahlverluste durch die ansonsten erforderliche Umladung in Folien. Beim Testbetrieb des SIS18 der GSI mit hochintensiven Schwerionenstrahlen mittlerer Ladungszustände wurden stark intensitätsabhängige Strahlverluste beobachtet. Die Ursache hierfür ist, dass sich der Ladungszustand dieser Ionen durch Stöße mit Restgasatomen und dadurch verursachten Elektroneneinfang bzw. -verlust ändert. Die daraus resultierende Abweichung des m/q-Verhältnisses relativ zum Referenzion führt in Verbindung mit dispersiven Elementen im Strahlengang zu einer veränderten Flugbahn, was zum Verlust des Teilchens auf der Wand der Vakuumkammer führt. Am Auftreffort des Ions werden durch ionenstimulierte Desorption an der Oberfläche adsorbierte Gasmoleküle von der Wand gelöst, welche den Vakuumdruck lokal erhöhen. Diese Druckerhöhung vergrößert ihrerseits die Umladungsrate, was zu einem lawinenartigen Anstieg des Drucks und großen Strahlverlusten führen kann. Eine Methode zur Stabilisierung des dynamischen Vakuumdrucks ist der Einsatz von speziellen Kollimatorsystemen, welche die von ihrer Oberfläche desorbierte Gase in ihrer Menge minimieren und kontrolliert nahe dem Entstehungsort beseitigen. Dabei soll der Druck auf der Achse des umlaufenden Strahls möglichst unverändert bleiben. Weitere Prozesse wie z.B. Coulomb-Streuung der Strahlionen an Restgaspartikeln und unvermeidbare systematische Strahlverluste können zu zusätzlichen Druckerhöhungen führen. Der Restgasdruck im Beschleuniger wird zudem durch Ionisation der Restgasmoleküle selbst, thermisches Ausgasen der Vakuumkammerwände, Einbauten und Pumpen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird ein detailliertes numerisches Modell des Zusammenhangs zwischen dem Verhalten des dynamischen Restgasdruckes im Teilchenbeschleuniger, möglicher Stabilisierungsmaßnahmen durch spezielle Kollimatoren sowie anderer Maßnahmen und der daraus resultierenden Strahllebensdauer entwickelt. Die damit vorhergesagten Lebensdauern und Druckentwicklungen wurden, soweit möglich, mit Maschinenexperimenten verifiziert. Im Testbetrieb mit teilgeladenen U28+-Ionen im SIS18 konnte ein Teil der Umladungsverluste mit Hilfe zweier Kollimator-Prototypen lokal abgefangen und der durch ionenstimulierte Desorption erzeugte Druckanstieg vermindert werden. Die Fertigung von serienmäßig ausgeführten Kollimatoren wurde vorbereitet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In order to achieve higher beam intensities of heavy ion beams in ring accelerators, low charge state ions can be used. By lowering the charge state, the space charge limit is shifted to higher particle numbers and stripping losses can be avoided. During test operation of the SIS18 at GSI with high intensity low charge state heavy ion beams, strong intensity dependent beam losses have been observed. It was found that these beam losses are originated to a large extent by the change of charge state of the circulating ions during collisions with residual gas atoms. The resulting deviation of m/q relative to the reference ion leads, in combination with dispersive elements in the ion optic lattice, to a modified trajectory, followed by the loss of the ion on the beam pipe. At the impact position, loosely bound residual gas molecules are released by ion stimulated desorption which increases the residual gas pressure locally. This pressure rise itself enhances the charge exchange rate, which can develop into a self amplifying process of pressure rise and subsequent beam loss. A method for the stabilization of the dynamic residual gas pressure is the use of special catcher systems, which minimize the production of desorption gases and remove them by strong pumping. Therefore, the pressure on the beam axis should remain as stable as possible. Other processes, e.g. coulomb scattering of the beam ions by residual gas particles and unavoidable systematic beam losses can increase the gas pressure additionally. The pressure in the accelerator is further subjected to ionization of the residual gas atoms themselves, thermal out gassing of the beam pipes, insertions and pumps. In this work, a detailed numerical model of the interplay between the residual gas pressure dynamics in the accelerator, possible stabilization measures, e.g. by catchers and the resulting beam life time has been developed. The forecasted beam life times and pressures are verified by machine experiments, as far as possible. By means of two catcher prototypes, a part of the charge change caused beam losses has been controlled locally and the resulting pressure rise on the beam axis has been reduced. The production of these catchers, designed for series production, has been prepared.English
Uncontrolled Keywords: Dynamisches Vakuum, Desorption, Kollimator, Wirkungsquerschnitt, Umladung, Synchrotron, Schwerionen, U28, Uran, teilgeladen, longitudinale Druckverteilung, Saugleistung, NEG, Kryogen, Absorber
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Dynamisches Vakuum, Desorption, Kollimator, Wirkungsquerschnitt, Umladung, Synchrotron, Schwerionen, U28, Uran, teilgeladen, longitudinale Druckverteilung, Saugleistung, NEG, Kryogen, AbsorberGerman
dynamic vacuum, desorption, collimator, cross section, charge change, synchrotron, heavy ion, U28, Uranium, intermediate charge, longitudinal pressure distribution, pumping speed, NEG, cryo, absorberEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 23 Jan 2009 12:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12255
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. D.H.H. and Pietralla, Prof. Dr. N.
Refereed: 12 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1225
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