Der lineare Abbremser

Um die Ionen, welche den ESR mit 4 MeV/u verlassen haben, auf 6 KeV/u abzubremsen, wurde ein linearer Abbremser konzipiert. Er besteht aus drei Haupt-Komponenten, einem Doppeldriftbuncher (DDB), einer interdigitalen H-Typ (IH) Struktur und aus einem Radiofrequenz Quadrupol (RFQ), wie schematisch oben gezeigt. Der Strahl kommt in einem eine Mikrosekunde langen Makropuls und wird zuerst gebündelt, um ihn an die 108 MHz Zeitstruktur der Abbremsungsstruktur möglichst effizient anzupassen. Dann wird er in der IH auf ungefähr 0.5 MeV/u abgebremst, neu gebündelt und in den RFQ injiziert. Der RFQ reduziert die Teilchenenergie weiter auf 6 keV/u, geeignet um sie elektrisch, im Flug, in der Kühler-Penning Falle zu fangen. Der Ionenstrahl wird durch die Abbremsanlage mit magnetischen Dipolen D, Quadrupoldubletts QD, und Tripletts QT geführt. Wie oben gezeigt, müssen die Ionen zunächst in die HITRAP Strahllinie durch zwei Dipole eingelenkt werden und dann durch eine Pumpbarriere P, welche die ESR und HITRAP Vakuumbereiche trennt, fokussiert werden. Danach wird der Strahl in den DDB und die IH injiziert. Um den Strahl während der Abbremsung zusammen zu halten, wurde eine Quadrupoletriplett Linse in den IH eingebaut. Durch zwei Quadrupoldubletts wird er dann dem transversalen Phasenraum des RFQ angepasst. Der Strahl wird mit magnetischen Korrektoren auf Achse gebracht und auf Faraday-Bechern, szintillierenden YAG Kristallschirmen und Drahtgittern nachgewiesen. Ionenoptische Berechnungen wurden durchgeführt, um den Strahltransport und die Abbremsung zu optimieren. Es wurden verschiedene Simulationsprogramme verwendet. Dargestellt ist eine Berechnung mit COSY Infinity vom ESR links, bis zum Eingang des RFQ rechts, getrennt für die horizontalen h und vertikalen v Strahlebenen. Die IH ist mit Hilfe von LORASR und der RFQ mit PARMTEQ und DYNAMION optimiert worden.  

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Geführt wird der Ionenstrahl durch die Abbremsanlage mit magnetischen Dipolen, Quadrupoldubletts, und Tripletts. Wie oben gezeigt, müssen die Ionen zunächst in die HITRAP Strahllinie durch zwei Dipole eingelenkt werden und dann durch eine Pumpbarriere P, welche die ESR und HITRAP Vakuumbereiche trennt, fokussiert werden. Danach wird der Strahl in den DDB und die IH injiziert. Um den Strahl während der Abbremsung zusammen zu halten, wurde eine Quadrupoletriplettlinse in die IH eingebaut. Durch zwei Quadrupoldubletts wird er dann dem transversalen Phasenraum des RFQ angepasst. Der Strahl wird mit magnetischen Korrektoren auf Achse gebracht und auf Faraday-Bechern, szintillierenden YAG Kristallschirmen und Drahtgittern nachgewiesen.

Wir haben ausführliche ionenoptische Berechnungen durchgeführt, um den Strahltransport und die Abbremsung zu optimieren. Es wurden verschiedene Simulationsprogramme verwendet. Dargestellt ist eine Berechnung mit COSY Infinity vom ESR – links - bis zum Eingang des RFQ – rechts - getrennt für die horizontalen (oben) und vertikalen (unten) Strahlebenen. Die IH ist mit Hilfe von LORASR und der RFQ mit PARMTEQ und DYNAMION optimiert worden.

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Overview HITRAP Beam Line
Design model of a steerer
Diagnostic unit for the low energy beam section as designed at KVI based on MCP/Phosphor screen and Farady Cup

The Double Drift Buncher

To bunch the beam efficiently two consecutive drift tube bunchers at 108 and 216 MHz bunch the beam.

Die interdigitale H-Struktur

Die obere Abbildung zeigt die interdigitale H-Struktur (IH) nachdem alle Bauteile verkupfert und wieder justiert wurden. Sie ist ein spezieller Typ eines Driftröhrenbeschleuniger (DTL). Die Driftröhren sind in der Abbildung gut zu sehen – ebenso wie der Zylinder, der ein magnetisches Quadrupoldublett aufnimmt. Eine IH-Struktur wird über das parallel und antiparallel zur Strahlenachse anliegende magnetische Hochfrequenzfeld definiert. Sie arbeitet vornehmlich auf niedrigen und mittleren Energien und verwendet den Transversal elektrischen Modus, welcher keine longitudinale elektrische Feldkomponente enthält. Die HITRAP IH Struktur ist ca. 2 m lang, hat ca. 30 Driftröhren und wird mit 108 MHz bei einer maximalen Leistung von 200 kW betrieben.

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Radiofrequenzquadrupole (RFQ)

Der HITRAP-RFQ wurde in der Gruppe A. Schempp am IAP in Frankfurt gebaut und in der Dissertation von B. Hofmann beschrieben. Das Design lehnt sich eng an den Hochladungsinjektor der GSI an. Radiofrequenzquadrupole sind inzwischen Standard-Beschleunigerstrukturen, deren Vorteil in der gleichzeitigen Fokussierung und Beschleunigung des Ionenstrahls liegt. Bei diesem Vorgang werden Hochfrequenzfelder auf Trennwände (Vanes) oder Stäbe (Rods) mit longitudinaler Modulation gegeben. Bei HITRAP wird eine Frequenz von 108 MHz genutzt und Spitzenspannungen von ca. 70 kV an den Stäben erzeugt. Da die Ionen aus der vorhergehenden IH-Struktur mit einer Phasenverschmierung von ungefähr 45° austreten, der RFQ aber nur maximal 20° akzeptiert, wurde ein vorhandener Zwei-Spalt-Spiral-Rebuncher für diesen speziellen Einsatzzweck angepasst und zwischen IH und RFQ in die Strahllinie platziert.

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HITRAP Cooler Penning Trap

Electron cooling of highly charged ions (HCI) in a Penning Trap

Electron cooling of highly charged ions (HCI) in a Penning Trap

Dieser Text existiert momentan nur auf Englisch.

A crucial part of the HITRAP facility is the so-called Cooler Trap, the end-point of the decelerator. After the Interdigital H-type (IH) Linac and Radio Frequency Quadrupole have decelerated the bunch to 6 keV/u, the ions can be injected into this Penning Trap where they are cooled down to 10 eV or even further down to 4 K, i.e. the temperature of the setup.

For this challenging task a 400-mm, long cylindrical trap is necessary. 21 inner electrodes allow the formation of axial nested traps and therefore the simultaneous confinement of both positive and negative charges. 109 electrons are indeed used to perform electron cooling of the hot ion sample down to 10 eV, when the process is stopped to avoid excessive recombination. Further cooling is accomplished via resistive cooling, dissipating in an external tank circuit the image current induced on the electrodes by the moving ion cloud. The theoretical limit is the temperature of the environment which is kept in thermal contact with the 6-T superconducting magnet at 4 K.

The cooled sample is then extracted either in bunched or slow, quasi-continuous mode according to the needs of the experiments.

EBIT Test Ion Source

Dieser Text existiert momentan nur auf Englisch.

At GSI a new generation of EBIT devices – the Dresden EBIT type – is operated as a test ion source for the HITRAP decelerator project to supply experiments with close to real ion species for commissioning. The ions produced by that source will be sent to the Cooler Penning trap investigating its operation as well as to the experiments.

This source is typically operated with gaseous elements but since some experiments require different species for tests, charge breeding in this small, room temperature EBIT became necessary. One example is the use of Ca14+ ions for laser spectroscopy of the forbidden fine structure transition 2s22p23P03P1, which serves as a test for the hyperfine spectroscopy planned for H and Li-like ions as will be supplied by HITRAP.

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