Untersuchung der Rückgewinnungseffizienz eines Kühlerelektronenstrahls in longitudinalem Magnetfeld
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Abstract
Ein grundlegendes Problem von Hadronenspeicherringen ist die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Strahls mit niedrigem Phasenraumvolumen. Da dieses als Folge des Liouville'schen Theorems in einem geschlossenen Teilchenensemble nicht nachträglich durch konservative Kräfte verkleinert werden kann, kommen Strahlkühlungsverfahren zur Anwendung, die die o.g. Bedingungen umgehen.
Der Begriff Kühlung ist hier als thermodynamisches Analogon zu verstehen, da die unerwünschte Geschwindigkeitsverteilung im Ruhesystem des Sollteilchens gleichbedeutend mit einer Temperatur ist. Ein etabliertes Verfahren ist die Elektronenkühlung, bei der dem Hadronenstrahl ein Elektronenplasma überlagert wird, das sich im Ruhesystem des Sollteilchens in Ruhe befindet und eine im Vergleich niedrige Temperatur hat. Durch Mehrfachstreuung findet ein Temperaturaustausch statt, wobei das Elektronenplasma kontinuierlich erneuert wird und daher kalt bleibt.
Im Laborsystem ist das Elektronenplasma ein DC-Strahl, dessen kinetische Energie sich zu der des Hadronenstrahls verhält wie die Massen der Teilchen.
Gleichzeitig wächst die Kühlkraft mit der Elektronendichte, sodass Strahlströme im Bereich von 1 A gewünscht sind. Bei Elektronenenergien von einigen MeV, wie sie in zukünftigen Anwendungen, z.B. im HESR, benötigt werden, ist der Betrieb nur mit Energierückgewinnung möglich, d.h. Quelle und Kollektor sind ungefähr auf demselben Potential und der Elektronenstrom fließt nicht durch die Hochspannungsquelle. Die elektrostatische Symmetrie eines solchen Aufbaus bewirkt, dass Sekundärelektronen, die an der Oberfläche des Kollektors erzeugt werden, sich in der entgegengesetzten Richtung durch das Strahlrohr bewegen und in dem als Entschleunigungsstrecke gedachten Abschnitt beschleunigt werden.
Die Eigenschaften dieses unerwünschten Strahls sind schlecht definiert, weshalb er teilweise mit Begrenzungsflächen kollidiert. Die dadurch entstehende Strombelastung der Hochspannungsquelle, die entstehende Röntgenstrahlung und die Verschlechterung der Vakuumbedingungen sind unerwünscht, weshalb ein Interesse daran besteht, die Sekundärelektronen möglichst stark zu unterdrücken.
Diese Arbeit beschreibt den Aufbau eines Experiments, das die detaillierte Untersuchung des Verhaltens des Sekundärelektronenstrahls erlaubt.
Der erreichte Primärstrahlstrom beträgt 550 mA bei einer Kathodenspannung von -17 kV. Auf den Einsatz einer weiteren Beschleunigungsstrecke für hohe Energien wurde bewusst verzichtet, weil sich die entscheidenden Erkenntnisse über den Sekundärelektronenstrahl auch ohne diese zusätzliche Komplikation erhalten lassen. Dadurch steht ein kompaktes Gerät zur Verfügung, dessen Verhalten sich mit wenig Aufwand in Computersimulationen vorhersagen und erklären lässt.
Durch Einsatz eines Wien-Filters analog zum COSY-Kühler wird eine vollständige Unterdrückung der Sekundärelektronen erreicht. Es zeigt sich aber, dass das Ableiten dieser Teilchen wiederum Sekundärelektronen mit neuer Energie- und Winkelverteilung erzeugt, die von den elektrischen und magnetischen Feldern beeinflusst werden. Dieser Prozess setzt sich überall, wo die Elektronen auftreffen, fort, was eine vollständige Unterdrückung eines Teilchenrückflusses erschwert. Eine Untersuchung der Verlustströme bei der vorhandenen Geometrie in Verbindung mit detaillierten Tracking-Simulationen erlaubt die Abschätzung der nach dem Wien-Filter verbleibenden Verluste in der Größenordnung von 1e-9 relativ zum Gesamtstrom, was im Vergleich mit anderen Störeinflüssen wie Restgasionisation vernachlässigbar ist.