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Magnetic field and ion-optical simulations for the optimization of the Super-FRS

Kazantseva, Erika :
Magnetic field and ion-optical simulations for the optimization of the Super-FRS.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Magnetic field and ion-optical simulations for the optimization of the Super-FRS
Language: English
Abstract:

The growing demand in the field of discovering and investigating exotic nuclei by means of fragment separators yields challenging restrictions on future facilities. The main task of a fragment separator is the in-flight separation of many different species of nuclides, produced with an ion beam on a target. To achieve the best resolution and capture of rare nuclei, maximal beam illumination of the apertures of the ion-optical elements is required. Many fragment separators have a wide operation range of the magnetic rigidity Brho. Moreover, frequent changes of Brho are required during experiments. Often magnets are operated in the saturation region of the iron yokes, leading to local changes of the magnetic field (B-field) distributions and the corresponding particle trajectories. In such cases it is important to have a fast ion-optical model with good predictability, which considers the real field distributions and the saturation. This thesis describes the development of a general approach to provide a fast and accurate ion-optical model (Taylor transfer map) of large aperture magnets starting from simulated or measured 3D B-field distributions. To produce highly accurate transfer map, a B-field has to be represented by 3D polynomials. It is crucial that the whole transversal aperture is described by a single polynomial, whereas many polynomials might be used in the longitudinal direction. High non-uniformity of the B-field makes this problem more complicated, especially for the regions near the pole shoe ends. The problem was solved by means of a combination of the Surface Integration Helmholtz Method (SIHM) and the Least Squares (LS) method. The approach was extended further for obtaining the B-field polynomial representation dependent on both: the coordinates and the excitation current. This representation allows to produce Brho dependent transfer maps, which can be useful for the optimization of the separator settings for different experiments. The method was tested using the analytical field model, based on a configuration of thin wires and a Biot-Savart law, resulting in a high stability against the errors in the input B-field. The rigidity dependent transfer maps were generated for the normal conducting dipole of the Super-FRS preseparator. The ion-optical study of the preseparator in the separator as well as in the spectrometer modes were conducted.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aufgrund des wachsenden Interesses im Bereich der Entdeckung und Untersuchung exotischer Atomkerne, steigen die Anforderungen an Fragmentseparatoren zukünftiger Anlagen. Die Hauptaufgabe eines Fragmentseparators ist die räumliche Trennung vieler verschiedener Nuklide, die vom relativistischen Ionenstrahl auf dem Target erzeugt wurden. Um die bestmögliche Auflösung zu erreichen und gleichzeitig seltene Isotope aufzufangen, müssen die Aperturen der Separatormagnete möglichst vollständig ausgeleuchtet werden. Außerdem werden viele Fragmentseparatoren in weiten Bereichen der magnetischen Steifigkeit Brho der Ionen betrieben. Dabei muss Brho häufig während eines Experiments gewechselt werden. Da die Magnete teilweise im Sättigungsbereich betrieben werden, ändern sich die Magnetfeldverteilungen und ebenfalls die entsprechenden Teilchenbahnen. Für solche Fälle ist es wichtig, über schnelle und genaue ionenoptische Simulationsmodelle zu verfügen, welche die tatsächlichen Feldverteilungen sowie die Sättigung berücksichtigen. Diese Thesis beschreibt die Entwicklung eines allgemeinen Verfahrens, um ein schnelles und genaues ionenoptisches Modell (Taylor-Transfermatrix) für Magnete mit großen Aperturen zu erzeugen. Ausgangspunkt des Verfahrens sind simulierte oder gemessene dreidimensionale Magnetfeldverteilungen (B-Feld). Um eine präzise Taylor-Transfermatrix zu erzeugen, ist es erforderlich das B-Feld stückweise mit dreidimensionalen Polynomen darzustellen. Dabei muss der ganze von Teilchen ausgeleuchtete transversale Querschnitt der Magnetapertur durch jeweils ein einzelnes Polynom beschrieben werden, wohingegen es in longitudinaler Richtung viele sein können. Diese Aufgabe wird durch die starke Inhomogenität des Magnetfeld, insbesondere am Rand des Magneten, erschwert. Diese Aufgabe wurde gelöst, indem die Flächenintegration-Helmholtz-Methode mit der Methode der kleinsten Quadrate in einem Algorithmus kombiniert wurde. Darüber hinaus wurde dieses Verfahren erweitert, um neben der räumlichen Verteilung des Magnetfelds auch dessen Verteilung entlang des Spulenstroms durch Polynome zu beschreiben. Eine solche Darstellung ermöglicht die Herstellung einer Brho-abhängigen Transfer Matrix, welche bei der Optimierung der Separatoreinstellungen für verschiedene Experimente von großem Nutzen sein können. Das Verfahren wurde mittels eines analytischen Modells getestet, welches auf einer Dünndrahtkonfiguration und dem Biot-Savart-Gesetz basiert. Die Tests haben eine hohe Stabilität des Verfahrens gegenüber Magnetfeldfehlern bewiesen. Dies ermöglicht die Nutzung fehlerbehafteter gemessener Magnetfelder. Die Brho-abhängigen Transfermatrizen wurden für einen normalleitenden Dipolmagnet des Super-FRS-Vorseparators erzeugt. Die ionenoptische Untersuchung des Vorseparators wurde im Separator- sowie Spektrometermodus durchgefürt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Physics
Date Deposited: 18 Jun 2019 13:04
Last Modified: 18 Jun 2019 13:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86994
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Scheidenberger, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 29 April 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8699
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