Erzeugung negativer Ionenstrahlen mit überlegener Stahlqualität
Erste neue, momentan in der Entwicklung befindliche Techniken werden eine kleinstmögliche Emittanz bei Teilchenstrahlen sicherstellen, die erzeugt werden, wenn negative Wasserstoffionen beschleunigt und einer magnetischen Kompression ausgesetzt werden. Als Antwort auf die technischen Herausforderungen, die sich bei Hochenergie-Protonenbeschleunigern der nächsten Generation ergaben, wurde ein Teil des Projekts HP NIS durch das Fünfte Rahmenprogramm finanziert. Mehrere Forscherteams aus verschiedenen europäischen Forschungslaboren haben ihre Erfahrung und ihr Wissen bereitgestellt, um Quellen für negative Wasserstoffionen mit einer Verlässlichkeit zu entwickeln, die bisher unerreicht war. Forscher an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main haben eine Reihe von Diagnosegeräten für detaillierte Messungen der Eigenschaften von Ionenstrahlen zur Verfügung gestellt. Hierdurch war es möglich, zerstörungsfreie Prüfmethoden anzuwenden, die direkte Messungen während des Betriebs des Beschleunigers ermöglichen. Negative Wasserstoffionen bieten die Gelegenheit zur Durchführung einer zerstörungsfreien Strahldiagnostik basierend auf dem Effekt der Auslösung von Photoelektronen. Aufgrund der Wechselwirkung der negativen Wasserstoffionen mit dem Laserlicht einer Wellenlänge zwischen 600 und 1100nm kann das zusätzliche Elektron ausgelöst werden, wodurch eine kleine Anzahl neutraler Atome gebildet wird. Durch Verwendung eines zusätzlichen magnetischen Feldes ist eine Trennung der ausgelösten Elektronen und der neutralen Atome von den Ionen möglich. Zudem können die Anzahl und die Verteilung der ausgelösten Elektronen sowie der neutralen Atome während des laufenden Betriebs des Ionenstrahls analysiert werden. Verschiedene Detektoren, die eine räumliche Auflösung ermöglichen, wurden entwickelt, um die vollständige dreidimensionale Dichteverteilung der neutralen Atome zu untersuchen. Da weder die Photonen des Lasers noch die ausgelösten Elektronen einen nennenswerten Impuls auf die neutralen Atome übertragen, ist ihre Verteilung identisch mit der Ausdehnung des Primärionenstrahls. Mithilfe eines Time-of-Flight-Szintillator konnte anhand der ausgelösten Elektronen die transversale und longitudinale Dichteverteilung des Primärionenstrahls gemessen werden. Ein zweiter Szintillator als ortsauflösender Detektor wurde zusammen mit einer CCD-Kamera zur Detektion der neutralen Atome verwendet, um die transversale Emittanz abzuschätzen. Experimente, die an den Forschungseinrichtungen der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt durchgeführt wurden, zeigten die Vorteile der Strahldiagnostik ohne Verwendung mechanischer Bauteile, die den Ionenstrahl unterbrechen, gegenüber der herkömmlichen Strahldiagnostik.
