Simulation und Messung longitudinaler Raumladungseffekte in intensiven Ionenstrahlen im SIS18 Synchrotron

Um die Entwicklung des Universums und den Aufbau der Materie zu erforschen, soll die internationale Forschungseinrichtung FAIR errichtet werden. Die existierende Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung bei Darmstadt (Deutschland) wird dann als Injektor für die Beschleunigeranlage des FAIR-Projekts dienen. FAIR wird für die Forschung Ionenstrahlen mit hoher Energie von bisher unerreichter Intensität und Qualität bereitstellen. Zudem wird es die Möglichkeit geben, mit Antiprotonen den Aufbau der Materie zu untersuchen. Hierfür müssen die Anlagen der \acs{GSI}, der Linearbeschleuniger UNILAC und das Synchrotron SIS18, ausgebaut werden. Um Strahlen mit hohen Intensitäten im SIS18 erzeugen zu können, muss unter anderem auch auf die Qualität der Strahlen geachtet werden. Ein Teilaspekt ist hier die longitudinale Strahlqualität nach der Injektion. Um intensive Strahlen im SIS18 vorbeschleunigen zu können, müssen sich möglichst viele Ionen innerhalb der durch die Hochfrequenz-Kavitäten vorgegebenen longitudinalen Akzeptanz befinden. Bei niedriger Energie und hohen Intensitäten erschweren die kollektiven Effekte, die geforderte longitudinale Strahlqualität für den gleichförmigen Strahl - d. h. die Impulsunschärfe - nach der Injektion zu erreichen. Deshalb sollte die longitudinale Strahlqualität routinemäßig nach der Injektion bestimmt werden. Hierfür bietet sich die Schottky-Diagnose an, mit welcher die Impulsunschärfe sowie die Umlauffrequenz eines gleichförmigen Strahls bestimmt werden kann.
Die kollektiven Effekte können dazu führen, dass sich nach der Injektion - induziert durch die Raumladungsimpedanz - eine Multifilamente-Instabilität ausbildet. Die Multifilamente-Instabilität führt dann zu langlebigen Stromfluktuationen und einem begleitenden Pseudo-Schottkyspektrum. Die kohärenten Strukturen und das Pseudo-Schottkyspektrum führen dazu, dass es kompliziert werden kann, die Impulsunschärfe und die Umlauffrequenz des gleichförmigen Strahls zu bestimmen. Solche kohärenten Strukturen sind bei intensiven Strahlen im SIS18 auf den Schottky-Bändern beobachtet worden. Ziel der Arbeit ist deshalb, die Entwicklung der longitudinalen Strahlverteilung entlang der Transportstrecke vom Linearbeschleuniger UNILAC zum SIS18, sowie im SIS18 nach der Injektion zu verstehen. Da die Raumladungseffekte zu einem Ansteigen der Impulsunschärfe führen, ist eine qualitative und quantitative Beschreibung der Raumladungseffekte essentiell. Deshalb wird in diese Arbeit eingehend mit dem eindimensionalen Modell des longitudinalen Raumladungsfelds von Strahlen beschäftigt, wobei insbesondere auf den Proportionalitätsfaktor Geometrie-Faktor (g-Faktor) eingegangen wird. Der Geometrie-Faktor ist ein wichtiger Parameter für die Beschreibung von Raumladungseffekten und deren Auswirkungen. Des Weiteren wird sich diese Arbeit mit der von I. Hofmann theoretischen beschreibene Multifilamente-Instabilität beschäftigen und ihre Auswirkungen auf das Pseudo-Schottkyspektrum vorstellen. Ebenfalls wird der Effekt des Injektionsprozesses auf die longitudinale Strahlqualität im SIS18 und auf die Multifilamente-Instabilität diskutiert.

The international research facility FAIR will be constructed to explore the evolution of the universe and the structure of matter. For the FAIR-project the existing accelerator facility GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research located at Darmstadt (Germany) will serve as injector. FAIR will provide high-energy ion beams with unprecedented intensity and quality for the research purposes. There will be also the possibility to explore the nature of matter with antiprotons. Therefore, the GSI facility must renew the existing linear accelerator UNILAC and the synchrotron SIS18. To produce intense beams in SIS18 for example one have to take care of the beam quality. One part is the longitudinal beam quality after the injection. To accelerate intense beams in the SIS18 as many ions as possible must be within the longitudinal acceptance given by the high- frequency cavities. At low energies and high intensities the existing collective effects make it difficult to reach the required longitudinal beam quality - i. e. the momentum spread - for the injected coasting beam. Consequently, the longitudinal beam quality should be routinely measured directly after injection. With the Schottky-diagnostic it is possible to measure the momentum spread and revolution frequency. After injection collective effects can cause the multistream instability induced by the space charge impedance. The multistream instability lead to persistent current fluctuations and an accompanying pseudo-Schottky spectrum. The coherent structure and the pseudo-Schottky spectrum lead to difficulties in measuring momentum spread and revolution frequency. Such coherent structures are observed on the Schottky-bands at intense beams in the SIS18. Therefore, the aim of the research work is to understand the evolution of the longitudinal beam distribution along the transport line from the linear accelerator UNILAC to the SIS18 and in the SIS18 after the injection. Space charge effects cause an increase of the momentum spread. Hence, it is essential to have a qualitative and quantitative description of the space charge effects. For this reason this research work will occupy with the one-dimensional model of the longitudinal beam space charge field. In particular the proportionality factor geometry-factor (g-factor) will be discussed. The geometry-factor is an important parameter for describing space charge effects and their effects. Furthermore, this research work discuss the multistream instability theoretical described by I. Hofmann and its effect on the Pseudo-Schottkyspektrum. The effects of the injection process on the longitudinal beam quality in the SIS18 and on the multistream instability will also be discussed.