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Zerstörungsfreie Profilmessung intensiver Schwerionenstrahlen

Becker, Frank :
Zerstörungsfreie Profilmessung intensiver Schwerionenstrahlen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Dissertation - Frank Becker - zum Thema: "Zerstörungsfreie Profilmessung intensiver Schwerionenstrahlen" - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zerstörungsfreie Profilmessung intensiver Schwerionenstrahlen
Language: German
Abstract:

Im Rahmen des FAIR-Projektes (Facility for Antiproton and Ion Research) an der GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH) werden intensive Strahlen von Protonen bis hin zu Uranionen mit kinetischen Energien von wenigen AMeV bis zu 30 AGeV erzeugt. Der bestehende Universal Linear Accelerator (UNILAC) und das Schwerionen Synchrotron mit Bρ = 18 Tm (SIS-18) dienen als Injektoren für das geplante Synchrotron (SIS-100) und sollen nach Abschluss des Upgrade-Programms um bis zu zwei Größenordnungen gesteigerte Strahlströme liefern. Auf allen Strahltransportstrecken, insbesondere jedoch vor Targets zur Teilchenproduktion oder Plasmaphysik-Targets, ist eine präzise Information über das Strahlprofil sowie die Strahllage von zentraler Bedeutung. Herkömmliche strahlzerstörende Profilmonitore wie Leuchtschirme oder invasive Systeme wie Drahtgitter (SEM-Grid), halten den thermischen Belastungen niederenergetischer oder stark fokussierter Schwerionenstrahlen nicht stand. Zur Bestimmung transversaler Strahlprofile wurde ein strahlinduzierter Fluoreszenzmonitor entwickelt. Der Beam Induced Fluorescence (BIF)-Monitor nutzt das Fluoreszenzlicht der durch atomare Stöße angeregten Restgasmoleküle. Dabei werden mit einer bildverstärkten Kamera Fluoreszenzbilder aufgenommen, deren Projektionen die Strahlprofile darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden systematische Untersuchungen zu Lichtausbeute, Profilform und Untergrund durchgeführt, und zwar für unterschiedliche Ionenspezies (H+, S6+, Ar18+, K+, Ni9+, Xe48+, Ta24+, Au65+, U73+) mit Projektilenergien von 7,7 AkeV bis 750 AMeV, bei Gasdrücken von 10−6 bis 3 mbar, in verschiedenen Restgasspezies (N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe). Mit Hilfe eines abbildenden Spektrometers konnten Fluoreszenzspektren sowie wellenlängenselektive Strahlprofile im Spektralbereich von 300 bis 800 nm gemessen und den entsprechenden Fluoreszenzübergängen zugeordnet werden. Wichtigste Ergebnisse dieser Untersuchung sind zum einen die lineare Abhängigkeit der Lichtausbeute vom Restgasdruck bei gleichbleibender Profilbreite und zum anderen die Proportionalität der Lichtausbeute zum differenziellen Energieverlust. Weiterhin weisen Edelgase im Vergleich zu Stickstoff nur 25 % der auf den Energieverlust normierten Lichtausbeute auf. Mit Helium wurden stark verbreiterte Strahlprofile gemessen, alle anderen Edelgase und Stickstoff zeigen übereinstimmende Strahlprofile. Nach umfangreicher Messung und Simulation des Strahlungsfeldes an einem Hochenergiemessplatz wurde ein geeignetes Schirmungskonzept für den Einsatz des BIF-Monitors in strahlender Umgebung entwickelt. Bereits ein 1 m3 großer Betonwürfel vermindert im Zentrum die errechnete Neutronendosis um 94 %. Systematische Fehler des Verfahrens aufgrund des indirekten Nachweises werden ebenso diskutiert wie technische Verbesserungsvorschläge.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Within the framework of the FAIR-project (Facility for Antiproton and Ion Research) at GSI (Helmholtz Center for Heavy Ion Research, high intensity beams from protons to uranium ions with kinetic energies up to 30 AGeV are foreseen. Present GSI-accelerators like the UNILAC and the Heavy Ion Synchrotron (SIS-18) with a magnetic rigidity of 18 Tm will be used as injectors for the future synchrotron (SIS-100). Their beam current will be increased by up to two orders of magnitude. An accurate beam position and beam profile measurement is mandatory for a safe operation of transport sections, in particular in front of production targets (Fragment Separator (FRS)-target, ¯p-production-target and Warm Dense Matter (WDM)-targets). Conventional intercepting profile monitors will not withstand the thermal stress of intensive ion beams, particularly for low energy applications or focused beams. For transverse profile determination a non-intercepting Beam Induced Fluorescence (BIF)- monitor was developed, working with residual gas. The BIF-monitor exploits fluorescence light emitted by residual gas molecules after atomic collisions with beam ions. Fluorescence-images were recorded with an image-intensified camera system, and beam profiles were obtained by projecting these images. Within the scope of this dissertation the following topics have been investigated: The photon yield, profile shape and background contribution were determined for different ion species (H+, S6+, Ar18+, K+, Ni9+, Xe48+, Ta24+, Au65+, U73+), beam energies (7,7 AkeV – 750 AMeV), gas pressures (10−6 – 3 mbar) and gas species (N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe). Applying an imaging spectrograph and narrowband 10 nm interference filters, the spectral response was mapped and associated with the corresponding gas transitions. Spectrally resolved beam profiles were also obtained form the spectrographic images. Major results are the light yield showing a linear dependence on the gas-pressure for constant profile width and as well as the light yield being proportional to the differential energy loss. For nitrogen, spectral investigation shows a four times higher light yield compared to rare gas species, normalized with respect to the differential energy loss. Helium is the only rare gas that shows broadened beam profiles. All other rare gases and nitrogen show reasonable beam profiles that correspond well with each other. Furthermore the dose-distribution in a cave for beam energies ≥ 100 AMeV was measured and simulated in order to develop a shielding concept that protects the camera system against radiation damage. According to simulations the neutron dose decreases by 94 % in the center of a 1 m3 concrete cube. Possible profile distortions due to effects like momentum transfer, gas dynamics and the electrical field of the ion beam are discussed. Technical improvements are presented.English
Uncontrolled Keywords: Strahlinduzierte Gas-Fluoreszenz, Fluoreszenz, BIF, Monitor, BIF-Monitor, Strahldiagnose, Schwerionen, zerstörungsfrei,
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Strahlinduzierte Gas-Fluoreszenz, Fluoreszenz, BIF, Monitor, BIF-Monitor, Strahldiagnose, Schwerionen, zerstörungsfrei,German
Beam Induced Fluorescence, Fluorescence, BIF, Monitor, BIF-Monitor, Beam Diagnostic, Heavy Ions, non-destructiveEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 29 Nov 2010 11:03
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23328
Additional Information:

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzetrum für Schwerionenforschung GmbH Darmstadt in der Abteilung Strahldiagnose durchgeführt und wurde betreut von Herrn Dr. Peter Forck

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzetrum für Schwerionenforschung GmbH Darmstadt in der Abteilung Strahldiagnose durchgeführt und wurde betreut von Herrn Dr. Peter Forck

Referees: Hoffmann, Prof. Dr. D. H. H. and Enders, Prof. Dr. Joachim
Refereed: 8 February 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2332
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