Minimal-invasive Strahldiagnose für hoch intensive Elektronenstrahlen
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Durch die Nutzung der Energierückgewinnung in Beschleunigern, wie z.B. in Energy recovery linacs (ERL) und Elektronenkühlern, können Strahlleistungen erzeugt werden, die bisher ökonomisch nicht erreichbar waren. Dabei werden Leistungen von einigen 10 kW bis zu einigen MW bei Strahlenergien unter 10 MeV erreicht. Ohne Energierückgewinnung müsste dafür eine Hochfrequenzleistung in vergleichbarer Größe installiert sein, was höhere Investitions- und Betriebskosten bedeuten würde.
Diese hochintensiven Elektronenstrahlen stellen, speziell unterhalb von 10 MeV, besondere Anforderungen an die Strahldiagnose. Durch die hohen Strahlleistungen werden Diagnoseelemente, wie z.B. Szintillationsschirme, die in den Strahlengang gefahren werden, um das Strahlprofil zu vermessen, beschädigt bzw. zerstört. Im Rahmen der Energierückgewinnung wirkt sich jeder Verlust von Elektronen auf die Effizienz des Rückgewinnungsprozesses aus, da die Energie dieser Elektronen nicht mehr zurückgewonnen werden kann. Daher sind minimal-invasive Diagnosemethoden notwendig, die auf Prozessen mit einer möglichst kleinen Wechselwirkung mit dem Strahl beruhen.
Diese Arbeit untersucht zwei Methoden der minimal-invasiven Strahldiagnose auf ihre Anwendungsmöglichkeiten für hoch intensive Elektronenstrahlen. Die erste Methode beruht auf der strahlinduzierten Fluoreszenz (Beam-Induced Fluorescence: BIF). Dabei wird das Licht, das durch die Anregung der Restgasatome und -moleküle im Strahlvakuum erzeugt wird, auf einen Detektor abgebildet.
Die zweite Methode beruht auf der Thomson-Streuung. Dabei werden die Photonen eines Lasers am Elektronenstrahl gestreut, gewinnen Energie und werden im Detektor nachgewiesen. Der Laser tastet den Elektronenstrahl ab und erlaubt analog zur Messung mit einem Draht eine Profilmessung, da die Streurate proportional zur Elektronendichte projiziert auf den Laserweg ist. Diese Anwendung wird als Thomson-Laser-Scanner (TLS) bezeichnet. Die Wellenlänge der gestreuten Photonen hängt vom Winkel, unter dem sie den Elektronenstrahl treffen, und von der Energie der Elektronen ab, sowie der Wellenlänge des Lasers selbst.
Für die Experimente wurde die in Mainz existierende Polarisierte KAnone Test (PKAT) um eine Messkammer zur Messung der strahlinduzierten Fluoreszenz (BIF) erweitert. Die Herausforderung dabei war es, das Vakuum im Bereich der BIF-Messung (10e-5 mbar) vom Vakuum der Photoquelle (10e-11 mbar) zu entkoppeln, so dass es zu keiner unakzeptablen Verkürzung der Vakuumlebensdauer der verwendeten Kathoden kommt. Für die TLS-Experimente wurde ein geeignetes Lasersystem erworben, um einerseits den benötigten Strahlstrom von 25 mA zu erzeugen und andererseits die erforderliche mittlere Laserleistung von mindestens 100 W für die Thomson-Streuung zur Verfügung zu stellen. Dabei konnte der Transport des Spitzenstroms von 25 mA gewährleistet werden, wobei der kombinierte Signaluntergrund von Elektronen- und Laserstrahl auf einen Wert <10 Hz begrenzt werden konnte.
Die Bedingungen, unter denen an der PKAT gemessen wurde, sind auf die möglichen Anwendungsgebiete wie z.,B. den Elektronenkühler am Hochenergie-Speicherring (HESR) an der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) oder ERLs wie den Mainz Energy recovering Superconducting Accelerator (MESA) übertragbar, so dass im Besonderen entscheidende Erkenntnisse über die Signal-zu-Untergrundverhältnisse sowie Messzeiten gewonnen werden konnten. Die vorgestellten Diagnosemethoden sind geeignete Erweiterungen im Bereich der minimal-invasiven Strahldiagnose für hoch intensive Elektronenstrahlen.