Extraction and low energy transport of negative ions

High perveance negative ion beams with low emittance are essential for several next generation particle accelerators (i. g. spallation sources like ESS [1] and SNS [2]). The extraction and transport of these beams have intrinsic difficulties different from positive ion beams. Limitation of beam current and emittance growth have to be avoided. To fulfill the requirements of those projects a detailed knowledge of the physics of beam formation the interaction of the H- with the residual gas and transport is substantial. A compact cesium free H- volume source delivering a low energy high perveance beam (6.5 keV, 2.3 mA, perveance K= 0.0034) has been built to study the fundamental physics of beam transport and will be integrated into the existing LEBT section in the near future. First measurements of the interaction between the ion beam and the residual gas will be presented together with the experimental set up and preliminary results

Non destructive determination of beam emittance for low energy ion beams using CCD camera measurements

The determination of the beam emittance using conventional destructive methods suffers from two main disadvantages. The interaction between the ion beam and the measurement device produces a high amount of secondary particles. Those particles interact with the beam and can change the transport properties of the accelerator. Particularly in the low energy section of high current accelerators like proposed for IFMIF, heavy ion inertial fusion devices (HIDIF) and spallation sources (ESS, SNS) the power deposited on the emittance measurement device can lead to extensive heat on the detector itself and can destruct or at least dejust the device (slit or grit for example). CCD camera measurements of the incident light emitted from interaction of beam ions with residual gas are commonly used for determination of the beam emittance. Fast data acquisition and high time resolution are additional features of such a method. Therefore a matrix formalism is used to derive the emittance from the measured profile of the beam [1,2] which does not take space charge effects and emittance growth into account. A new method to derive the phase space distribution of the beam from a single CCD camera image using statistical numerical methods will be presented together with measurements. The results will be compared with measurements gained from a conventional Allison type (slit-slit) emittance measurement device

Untersuchungen zum Transport raumladungskompensierter niederenergetischer und intensiver Ionenstrahlen mit einer Gabor Plasma-Linse

Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Meßergebnisse zeigen, daß bei geringem Restgasdruck der Einsatz einer GPL zur Fokussierung eines hochperveanten Ionenstrahles niedriger Strahlenergie Vorteile gegenüber konventionellen Linsensystemen bietet. Neben einer kostengünstigen Realisation ist wesentlich die bei unterschiedlichen Linsenparametern hohe Linearität der Linsenfelder (und die damit verbunden geringen Aberrationen) bei gleichzeitig starker Fokussierung zu nennen. Auch die geringe Baulänge, vor allem im Vergleich zu den wegen der FODO-Struktur bei Quadrupolen i. a. notwendigen Tripletts, kann gerade bei de- bzw. teilkompensiertem Transport einen Vorteil darstellen. Die im zweiten Kapitel vorgestellten Arbeiten zur theoretischen Beschreibung des nichtneutralen Plasmas der GPL haben gezeigt, daß bei Berücksichtigung der Verlustmechanismen (longitudinal und radial) die Beschreibung der Elektronenverteilung in der Linse die Meßergebnisse wesentlich besser widerspiegelt als in der klassischen Theorie Gabors, die nur einen idealisierten Zustand maximaler Elektronendichte beschreibt. Die Integration der Verluste in die Simulation ist für den longitudinalen Verlustkanal gelungen. Die radialen Verluste entziehen sich bisher aufgrund der Komplexität der Vorgänge bei der Diffusion einer hinreichend genauen Beschreibung. Dies liegt vor allem an einer sehr schwierigen Abschätzung der hierbei dominierenden Heiz- bzw. Kühlprozesse im Linsenplasma. ..

Study of compensation process of ion beams

For investigation of space charge compensation process due to residual gas ionization and the experimentally study of the rise of compensation, a Low Energy Beam Transport (LEBT) system consisting of an ion source, two solenoids, a decompensation electrode to generate a pulsed decompensated ion beam and a diagnostic section was set up. The potentials at the beam axis and the beam edge were ascertained from time resolved measurements by a residual gas ion energy analyzer. A numerical simulation of self-consistent equilibrium states of the beam plasma has been developed to determine plasma parameters which are difficult to measure directly. The temporal development of the kinetic and potential energy of the compensation electrons has been analyzed by using the numerically gained results of the simulation. To investigate the compensation process the distribution and the losses of the compensation electrons were studied as a function of time. The acquired data show that the theoretical estimated rise time of space charge compensation neglecting electron losses is shorter than the build up time determined experimentally. To describe the process of space charge compensation an interpretation of the achieved results is given

Influence of space charge fluctuations on the low energy beam transport of high current ion beams

For future high current ion accelerators like SNS, ESS or IFMIF the beam behaviour in low energy beam transport sections is dominated by space charge forces. Therefore space charge fluctuations (e. g. source noise) can drastically influence the beam transport properties of the low energy beam transport section. Losses of beam ions and emittance growth are the most severe problems. For electrostatic transport systems either a LEBT design has to be found which is insensitive to variations of the space charge or the origin of the fluctuations has to be eliminated. For space charge compensated transport as proposed for ESS and IFMIF the situation is different: No major influence on beam transport is expected for fluctuations below a cut-off frequency given by the production rate of the compensation particles. Above this frequency the fluctuations can not be compensated by particle production alone, but redistributions of the compensation particles helps to compensate the influence of the fluctuations. Above a second cut-off frequency given by the density and the temperature of the compensation particles their redistribution is too slow to reduce the influence of the space charge fluctuations. Transport simulations for the IFMIF injector including space charge fluctuations will be presented together with a determination of the cut-off frequencies. The results will be compared with measurements of the rise time of space charge compensation

Messungen an einer Gabor-Plasma-Linse

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Gahor-Plasma-Linse zur Fokussierung positiver Ionenstrahlen niedriger Energie konzipiert und aufgebaut. Die Erzeugung der Elektronen geschieht hier über eine Gasentladung, die im Linsenvolumen brennt. Die entstandenen Elektronen werden in einem elektromagnetischen Feld eingefangen. Die entstandenen Restgasionen werden aus dem Linsenvolumen herausbeschleunigt. Die Lösung der Bewegungsgleichung von Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, unter Berücksichtigung der Elektronenraumladung, führt auf die Existenz einer maximalen Elektronendichte die abhängig ist vom Quadrat des magnetischen Feldes. Die Rechnung zeigte überdies, daß nach dem lokalen Erreichen der maximalen Elektronendichte eine Homogenisierung der Raumladung stattfindet. Die Diffusion der Elektronen, durch Stöße wurde allerdings nicht berücksichtigt. Eine generelle Aussage über das radiale Dichteprofil kann nicht gemacht werden. Die Untersuchungen zum Entladungsverhalten wurden für verschiedene Betriebsgase durchgeführt. Eine Zündung der Gasentladung konnte oberhalb einer gewissen Anodenspannung und eines gewissen Magnetfeldes immer erreicht werden. Die gegenüber der Paschenbedingung niedrigere Anodenspannung bei vorhandensein eines Magnetfeldes konnte anband der "verkleinerten" freien Weglänge erklärt werden. Die Dichtemessungen der Elektronen wurden mit einem elektrostatischem Gegenfeldspektrometer und einer elektrischen Langmuirsonde durchgeführt. Letztere ergaben, aufgrund der starken Störung der Gasentladung durch die Sonde, keine verwertbaren Ergebnisse. Die Energie der aus dem Linsenvolurnen herausbeschleunigten Restgasionen erlaubt im Prinzip einen Rückschluß auf ihr Entstehungspotential. Obwohl auch hier keine quantitative Aussage über das Dichteprofil gemacht werden konnte, erlaubte die Messung eine quantitative Aussage über den Füllgrad. Hierbei zeigen sich bei verschiedenen Betriebsbedingungen drastische Unterschiede. Die besten Ergebnisse ergaben Messungen an einer Entladung bei niedrigem Druck und geringer Stromstärke und hohem Magnetfeld. Ein empfindliches Meßinstrument zur Bestimmung der radialen Dichteverteilung ist der zu fokussierende Ionenstrahl selbst. Die Linse wurde in eine bestehende Ionenstrahltransportstrecke eingefügt. Messungen mit Argon- und Heliumionenstrahlen bei 10 ke V Strahlenergie und Strömen zwischen 200 mikroA und 1.15 mA wurden durchgeführt.Die Emittanz und Profilmessungen zeigten auch hier wieder eine drastische Abhängikeit des Strahlverhaltens von den eingestellten Linsenparametern. Zum überwiegenden Teil wurden Ausgangsemittanzen gemessen, die neben den stärksten beobachteten Fokussiereffekte starke sphärische Aberrationen zeigten und mit erheblichem Emittanzwachstum verbunden waren. Dies läßt auf eine stark inhomogene Verteilung der Elektronen schließen. Diese Ergebnisse wurden hauptsächlich bei hohen Linsenspannungen erzielt und zeigten zudem eine z.T. erhebliche Reduzierung des Kompensationsgrades hinter der Linse. Bei niedriger Iinsenspannung zeigte sich eine reduzierte Fokussierung des Strahles, die Aberrationen und das Emittanzwachstum waren aber weitaus geringer. Der Kompensationsgrad des Strahles hinter der linse blieb z. T. gegenüber einer reinen Driftmessung erhalten oder stieg sogar an. Die besten Ergebnisse ergaben sich bei 1500 V zwischen Anode und Kathode und einem magnetischen Feld auf der Achse von 280 Gauß. Der Restgasdruck betrug 1*10-5 hPa (größtenteils Helium). Ein 10 keV Heliumstrahl konnte entsprechend einer Brennweite von 20 cm bei vernachlässigbarem Emittanzwachstum fokussiert werden. Eine Variation der Linsenbrechkraft bei gleichzeitig kleinem Emittanzwachstum konnte nur in einem geringen Maße erreicht werden. Die angeführten Untersuchungen zeigen, daß es prinzipiell möglich ist, eine durch eine Gasentladung gefüllte Gabor-Plasma-Linse, als ionenoptisches Element zu betreiben. Eine Linearität der Feldveneilung und einen genügend hohen Füllgrad konnte nur in einigen Betriebszuständen erreicht werden. Die theoretischen und experimentellen Ansätze sind durchaus vielversprechend und lassen erhebliche Verbesserungen durch weitergehende Untersuchungen erwarten. Hier sind insbesondere theoretische und numerische Untersuchungen über das Einschlußverhalten von Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern notwendig. Dies führt zu einer Optimierung der Linsengeometrie hinsichtlich eines höheren Füllgrades. Fadenstrahlmessungen sind eine Möglichkeit um Aussagen über das radiale Dichteprofil zu gewinnen. Aber auch die Füllung der Linse mit thermischen Elektronen könnte ein Gegenstand weiterer Untersuchungen sein

Study of space charge compensated LEBT for ESS

To fulfil the requirements of ESS on beam transmission and emittance growth a detailed knowledge of the physics of beam formation as well as the interaction of the H- with the residual gas is substantial. Space charge compensated beam transport using solenoids for ion optics is in favour for the Low Energy Beam Transport (LEBT) between ion source and the first RFQ. Space charge compensation reduces the electrical self fields and beam radii and therefore emittance growth due to aberrations and redistribution. Transport of H- near the ion source is negatively influenced by the dipole fields required for beam extraction and e--dumping and the high gas pressure. The destruction of the rotational symmetry together with the space charge forces causes emittance growth and particle losses within the extraction system. High residual gas pressure near the extractor together with the high cross section for stripping will influence the transmission as well as space charge compensation. Therefore a detailed knowledge of the interaction of the residual gas with the beam and the influence of the external fields on the distribution of the compensation particles is necessary to reduce particle losses and emittance growth. Preliminary experiments using positive hydrogen ions for reference already show the influence of dipole fields on beam emittance. First measurements with H- confirm these results. Additional information on the interactions of the residual gas with the beam ions have been gained from the measurements using the momentum and energy analyser

Time-resolved investigation of the compensation process of pulsed ion beams

A LEBT system consisting of an ion source, two solenoids, and a diagnostic section has been set up to investigate the space charge compensation process due to residual gas ionization [1] and to study experimentally the rise of compensation. To gain the radial beam potential distribution time resolved measurements of the residual gas ion energy distribution were carried out using a Hughes Rojanski analyzer [2,3]. To measure the radial density profile of the ion beam a CCD-camera performed time resolved measurements, which allow an estimation the rise time of compensation. Further the dynamic effect of the space charge compensation on the beam transport was shown. A numerical simulation under assumption of selfconsistent states [4] of the beam plasma has been used to determine plasma parameters such as the radial density profile and the temperature of the electrons. The acquired data show that the theoretical estimated rise time of space charge compensation neglecting electron losses is shorter than the build up time determined experimentally. An interpretation of the achieved results is given

Investigation of the rise of compensation of high perveance ion beams using a time-resolving ion energy spectrometer

The knowledge of the build up time of space charge compensation (SCC) and the investigation of the compensation process is of main interest for low energy beam transport of pulsed high perveance ion beams under space charge compensated conditions. To investigate experimentally the rise of compensation an LEBT system consisting of a pulsed ion source, two solenoids and a drift tube as diagnostic section has been set up. The beam potential has been measured time resolved by a residual gas ion energy analyser (RGA). A numerical simulation for the calculation of self-consistent equilibrium states of the beam plasma has been developed to determine plasma parameters which are difficult measure directly. The results of the simulation has been compared with the measured data to investigate the behavior of the compensation electrons as a function of time. The acquired data shows that the theoretical rise time of space charge compensation is by a factor of two shorter than the build up time determined experimentally. In view of description the process of SCC an interpretation of the gained results is given

Investigation of the focus shift due to compensation process for low energy ion beam transport

In magnetic Low Energy Beam Transport (LEBT) sections space charge compensation helps to enhance the transportable beam current and to reduce emittance growth due to space charge forces. For pulsed beams the time neccesary to establish space charge compensation is of great interest for beam transport. Particularly with regard to beam injection into the first accelerator section (e.g. RFQ) investigation of effects on shift of the beam focus due to space charge compensation are very important. The achieved results helps to obviate a mismatch into the first RFQ. To investigate the space charge compensation due to residual gas ionization, time resolved measurements using pulsed ion beams were performed at the LEBT system at the IAP and at the CEA-Saclay injektion line. A residual gas ion energy analyser (RGIA) equiped with a channeltron was used to measure the potential destribution as a function of time to estimate the rise time of compensation. For time resolved measurements (delta t min=50ns) of the radial density profile of the ion beam a CCD-camera was applied. The measured data were used in a numerical simulation of selfconsistant eqilibrium states of the beam plasma [1] to determine plasma parameters such as the density, the temperature, the kinetic and potential energy of the compensation electrons as a function of time. Measurements were done using focused proton beams (10keV, 2mA at IAP and 92keV, 62mA at CEA-Saclay) to get a better understanding of the influence of the compensation process. An interpretation of the acquired data and the achieved results will be presented