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Autoren: Bruker, Max-Wilhelm
Titel: Untersuchung der Rückgewinnungseffizienz eines Kühlerelektronenstrahls in longitudinalem Magnetfeld
Online-Publikationsdatum: 30-Nov-2016
Sprache des Dokuments: Deutsch
Zusammenfassung/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.
Hadron storage rings face the challenge of injecting and maintaining a low-emittance beam, i.e. one that occupies a small volume in phase space. As a consequence of Liouville's theorem, this volume cannot be compressed by conservative forces given a fixed ensemble of particles, which leads to the application of beam cooling methods that circumvent these conditions. The term cooling is a reference to thermodynamics in that the undesired velocity distribution in the rest frame of the nominal particle corresponds to a temperature. One of the established beam cooling methods is that of electron cooling, which uses an electron plasma superimposed on the hadron beam. In the rest frame of the nominal hadron, this plasma is at rest and at a comparatively low temperature. Multiple scattering gives rise to a temperature exchange wherein the electron plasma remains cold as it is continuously renewed. In the laboratory frame, the electron plasma is a d.c.~beam, the kinetic energy of which is related to that of the hadron beam in the same ratio as the masses of the particles. At the same time, beam currents of the order of 1 A are desired as the cooling force increases with electron density. At an electron energy of several MeV as required in future applications, e.g. in the HESR, this kind of beam can only be supplied using energy recovery, i.e. source and collector are at about the same potential and the beam current does not load the high voltage source. As a result of the electrostatic symmetry of such a system, secondary electrons emitted from the collector surface can move through the beam pipe in the opposite direction, which results in them being accelerated in the deceleration section. This undesired beam has ill-defined properties and partially collides with limiting apertures. As the resulting loading of the high voltage source, emission of x-rays, and deterioration of vacuum conditions interfere with the operational stability of the device, it is desirable to suppress the secondary electrons as strongly as possible. This document presents a set-up that permits a detailed analysis of the behaviour of the secondary electron beam under conditions similar to those in a real electron cooler. A primary beam current of 550 mA was attained at a cathode voltage of -17 kV. In contrast to a real cooler, an acceleration section between the cathode and the beam pipe was intentionally omitted because investigation of the secondary beam is possible without this additional complication. This results in a compact device, the behaviour of which can be predicted and explained by computer simulations without much effort. Using a Wien filter similar to that employed in the COSY cooler, the secondary electron beam from the collector is completely suppressed. However, collecting these particles in turn creates new secondaries with a new distribution of energy and angle, which then interact with the electric and magnetic fields. This process takes place at all points where electrons are collected, complicating a complete suppression of backflow. With the given geometry, analysis of the measured loss currents and detailed tracking simulations permit to estimate the real remaining losses after the Wien filter to be of the order of 1e-9 relative to the total current, rendering them negligible in comparison to other undesired effects such as residual gas ionisation.
DDC-Sachgruppe: 530 Physik
530 Physics
Veröffentlichende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit: Helmholtz Institut Mainz
FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Veröffentlichungsort: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4577
Version: Original work
Publikationstyp: Dissertation
Nutzungsrechte: in Copyright
Informationen zu den Nutzungsrechten: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang: 121 Seiten
Enthalten in den Sammlungen:JGU-Publikationen

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