TU Darmstadt / ULB / tuprints

Elektronenstrahl-Diagnostik zur Bestimmung vom transversalen Profil intensiver Ionenstrahlen

El Moussati, Said :
Elektronenstrahl-Diagnostik zur Bestimmung vom transversalen Profil intensiver Ionenstrahlen.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

[img]
Preview
Text
Dissertation.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (9MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elektronenstrahl-Diagnostik zur Bestimmung vom transversalen Profil intensiver Ionenstrahlen
Language: German
Abstract:

Zur Bestimmung des transversalen Profils eines intensiven Ionenstrahls wurde im Rahmen dieser Arbeit eine nichtinvasive Diagnostikmethode entwickelt und sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Diese Methode basiert auf der Ablenkung der Elektronen im elektromagnetischen Feld eines Ionenstrahls. Dazu wird ein Elektronenstrahl eingesetzt, dessen transversales Profil für solche Messungen angepasst wurde. Dies unterscheidet diese Methode von ähnlichen Messverfahren bei denen ein dünner Strahl zur Abtastung des elektromagnetischen Feldes eingesetzt wird \citep{roy05, blockland10}. Die in der vorliegenden Arbeit dargestellte Diagnostikmethode soll in Zukunft \glqq Electron--Beam--Imaging\grqq \ (EBI) genannt werden. Als Erstes wurde der Einfluss des elektromagnetischen Feldes des Ionenstrahls auf die Elektronen theoretisch analysiert. Es wurde festgestellt, dass das magnetische Feld eine Verschiebung der Elektronen praktisch nur entlang der Ionenstrahlachse verursacht, während das elektrische Feld eine Verschiebung nur transversal zum Ionenstrahl zur Folge hat. Außerdem ist im nichtrelativistischen Fall der Betrag der magnetischen Kraft wesentlich kleiner als der der elektrischen Kraft und die Elektronen erfahren unter dem Einfluss des magnetischen Feldes lediglich eine Verschiebung nur in der Nähe der Ionenstrahlachse und bewegen sich danach parallel zur ursprünglichen Bahn. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die Elektronen von der Ionenstrahlachse weg mit einem gewissen Winkel zur ursprünglichen Bahn. Dieser Ablenkungswinkel hängt praktisch nur vom elektrischen Feld des Ionenstrahls ab. Daher wurde zur Entwicklung des theoretischen Modells das magnetische Feld in erster Linie nicht berücksichtigt. Das theoretische Modell liefert hierbei einen Zusammenhang zwischen dem Ablenkungswinkel der Elektronen und der Ladungsverteilung im Querschnitt des Ionenstrahls. Dieses Modell kann aber nur für kleine Ablenkungswinkel angewendet werden. In diesem Fall gibt es eine Beziehung zwischen der Linienladungsdichte des Ionenstrahls und der ursprünglichen kinetischen Energie der Elektronen. Zum Anwendungsbereich der EBI--Diagnostikmethode und zur Überprüfung des theoretischen Modells wurden numerische Untersuchungen durchgeführt. Dafür wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Code in der Programmiersprache Python entworfen. Es wurden unterschiedliche Ladungsverteilungen berücksichtigt und die Resultate der Simulationen mit dem theoretischen Modell verglichen. Die numerischen Untersuchungen haben für kleinen Ablenkungswinkeln bis einschließlich $20\,$mrad eine sehr gute Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell gezeigt, was den Anwendungsbereich des theoretischen Modells festlegt. Ferner wurde durch die Simulationen auch der Einfluss des magnetischen Feldes des Ionenstrahls auf die Elektronen untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei sehr hohen Ionenströmen --- ab ungefähr $1\,$A --- die Elektronen eine nicht vernachlässigbare Verschiebung entlang der Ionenstrahlachse erfahren, was bei Experimenten mit intensiven Ionenstrahlen zu berücksichtigen ist. Unabhängig von ihrem Offset erfahren die Elektronen unter dem Einfluss des magnetischen Feldes in etwa die gleiche Verschiebung. An einem Offset von $10\,$mm beträgt die Abweichung verglichen mit der Verschiebung auf der Ionenstrahlachse nur weniger als $3\,$\%. Für die experimentellen Untersuchungen der EBI--Diagnostikmethode wurde zuerst ein Offline--Experiment entwickelt. Dabei wurde mithilfe elektrostatisch geladener Drähte das Feld des Ionenstrahls simuliert. Im Falle eines einzigen Drahtes stimmen die experimentellen Ergebnisse mit dem theoretischen Modell für kleine Ablenkungswinkel bis einschließlich $20\,$mrad sehr gut überein. Dies bestätigt die Resultate der numerischen Untersuchungen. Um den Innenbereich des Ionenstrahls zu simulieren, wurde mehrere parallele Drähte in einer Ebene gespannt, die senkrecht zum Elektronenstrahl stand. Die Elektronen konnten sich durch die Zwischenräume bewegen. Die Resultate dieses Experiments haben quantitativ die Vorhersage des theoretischen Modells bestätigt, dass die Ableitung des Ablenkungswinkels nach dem Offset proportional zur Ladungsverteilung im Querschnitt des Ionenstrahls ist. Quantitativ sind allerdings Abweichungen vom theoretischen Modell zu beobachten, die sich durch die ungenaue Modellierung der Ladungsverteilung im Ionenstrahl durch die Drähte erklären lässt. Der erste Einsatz der EBI--Diagnostikmethode erfolgte in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Ulrich Ratzinger am FRANZ--Beschleuniger der Goethe Universität Frankfurt am Main mit niederenergetischen Dauerstrich--Ionenstrahlen --- $^4$He$^+$ bei $13{,}5\,$keV und einem Strom von ungefähr $1\,$mA. Mithilfe dieser Diagnostikmethode wurde die transversale Ladungsverteilung des Ionenstrahls bestimmt. Der maximale Ablenkungswinkel der Elektronen betrug etwa $1/3$ des theoretisch vorhergesagten. Durch den Einsatz des Elektronenfilters, welcher sich in der Ionenstrahlführung vor der Diagnostikkammer befindet, wurde ein Anstieg des Ablenkungswinkels festgestellt. Dies lässt vermuten, dass der Zusammenstoß der Ionen mit Atomen oder Molekülen im Restgas so viele Elektronen freisetzt, dass ihr Einfluss auf das elektrostatische Feld des Ionenstrahls nicht zu vernachlässigen ist. Diese Tatsache ist in der Zukunft noch genauer zu untersuchen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A non--invasive diagnostic method for the experimental determination of the transverse profile of an intense ion beam has been developed and investigated theoretically as well as experimentally within the framework of the present work. The method is based on the deflection of electrons when passing the electromagnetic field of an ion beam. To achieve this an electron beam is employed with a specifically prepared transversal profile. This distinguish this method from similar ones which use thin electron beams for scanning the electromagnetic field \citep{roy05, blockland10}. The diagnostic method presented in this work will be subsequently called "Electron--Beam--Imaging"\;(EBI). First of all the influence of the electromagnetic field of the ion beam on the electrons has been theoretically analyzed. It was found that the magnetic field causes only a shift of the electrons along the ion beam axis, while the electric field only causes a shift in a plane transverse to the ion beam. Moreover, in the non--relativistic case the magnetic force is significantly smaller than the Coulomb one and the electrons suffer due to the magnetic field just a shift and continue to move parallel to their initial trajectory. Under the influence of the electric field, the electrons move away from the ion beam axis, their resulting trajectory shows a specific angle compared to the original direction. This deflection angle practically depends just on the electric field of the ion beam. Thus the magnetic field has been neglected when analysing the experimental data. The theoretical model provides a relationship between the deflection angle of the electrons and the charge distribution in the cross section of the ion beam. The model however only can be applied for small deflection angles. This implies a relationship between the line--charge density of the ion beam and the initial kinetic energy of the electrons. Numerical investigations have been carried out to clarify the application range of the EBI diagnostic method and to benchmark the theoretical model. To achieve this goal a code has been developed in the programming language Python. Different charge distributions were considered and the simulation results have been compared with the theoretical model. The numerical investigations have shown a very good aggrement with the theoretical model for deflection angles up to 20~mrad. This value defines the limit for the applicability of the theoretical model. Moreover, the magnetic field of the ion beam has also been taken into acount in the simulations. The results show that at high ion beam currents --- starting at about $1\,$A --- the electrons experience a non-negligible displacement along the ion beam axis, which has to be taken into consideration in experiments with intense heavy ion beams. The electrons suffer practically the same displacement under the influence of the magnetic field, regardless of their offset. At an offset of $10\,$mm the deviation from the shift at the ion beam axis is less than $3\,$\%. For the experimental investigations of the EBI diagnostic method an offline experiment had been set up at the HHT experimental area at GSI in Darmstadt. The Coulomb field of the ion beam had been simulated by electrostatically charged wires. In case of a single wire, the experimental results are in good agreement with the theoretical model for deflection angles up to $20\,$mrad. This confirms the results of the numerical studies. To simulate the field within an ion beam, several wires have been clamped parallel to each other within a plane perpendicular to the electron beam. The electrons thus could pass through the spaces between the wires. The results of this experiments have quantitatively confirmed the prediction of the theoretical model that the derivative of the deflection angle with respect to the offset is proportional to the charge distribution in the cross section of the ion beam. Quantitatively, however, deviations from the theoretical model have been observed, which can be explained by the imprecise modelling of the charge distribution of an ion beam by the charged wires. The EBI diagnostic method has been applied for the first time in collaboration with the group of Professor Ulrich Ratzinger at the FRANZ accelerator at the Goethe University Frankfurt am Main for low--energy, DC ion beams --- $^4$He$^+$ at $13{.}5\,$keV and a current of approximately $1\,$mA. The transverse charge distribution of these beams has been successfully determined by this diagnostic method. However the maximum deflection angle of the electrons was nearly $1/3$ of the one predicted by the theoretical model. When employing an electron filter located along the ion beam line before the diagnostic chamber an increase of the deflection angle was observed. This suggests that electrons are generated by collisions of ions with background gas in such an amount, that they strongly influence the electrostatic field of the ion beam. This fact has to be more closely investigated in the future.English
Volume: 2014
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 20 Nov 2014 12:58
Last Modified: 20 Nov 2014 12:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42370
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter and Boine--Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 3 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4237
Export:
["page:actions_header" not defined]
View Item View Item