H-ion source developments and diagnostics at CERN

Abstract

Eine wesentliche Voraussetzung zukünftiger CERN Programme, wie der Large Hadron Collider (LHC), die ISOLDE Kollaboration und die Experimentierzonen des Proton Synchrotrons (PS), ist eine Steigerung der Intensität und der Dichte des Protonenstrahls.<br />Die momentane Kombination des Linearbeschleunigers, Linac2, und des PS Booster Synchrotrons (PSB) limitiert die Leistung der gesamten nachfolgenden Kette von Kreisbeschleunigern.<br /> Eine effektive Verbesserungsmöglichkeit ist die Injektion von H- Ionen bei höherer Energie mit anschließendem Stripping. Der dafür nötige H- Linearbeschleuniger kann als Linac4 mit 160 MeV in den PSB oder in einer supraleitenden Ausbaustufe als Superconducting Proton Linac (SPL) mit 2.2 GeV direkt in das PS injizieren.<br />Für beide Optionen benötigt man eine sehr zuverlässige H- Ionenquelle mit hohem Ionenstrom und einfacher Wartung. Design, Aufbau und Charakterisierung eines ersten H- Quellenprototyps sind das Ziel dieser Dissertation. Ausgangspunkt ist aufgrund der Erfahrung mit der Erzeugung von Schwerionen am CERN eine Quelle basierend auf Mikrowellentechnologie.<br />Ein Quellenprototyp mit "multicusp" Magnetstruktur und der Aufbau der Experimentierumgebung ermöglichten eine erste Extraktion von H- Ionen am CERN.<br />Für die Diagnostik wurde ein Spektrometer zur Trennung des H- Strahls vom Elektronstrahl gebaut. Variation der Quellenparameter, z.B.<br />Mikrowellenleistung, Gasfluss, Antennenposition oder Polarisation der Plasmaelektrode, resultierten in einer Steigerung des Ionenstroms.<br />Die "multicusp" Magnetstruktur wurde durch zwei Solenoide und in Folge durch eine Kombination von "multicusp" Struktur und Solenoide ersetzt.<br />Experimente mit verschiedenen Gaszusätzen, einem Metallgitter zur Mikrowelleneindämmung in der Plasmakammer, Einsätzen aus Tantal und Simulationen des Magnetfeldes wurden für jede Magnetstruktur durchgeführt.<br />Das Mikrowellensystem wurde mit "Microwave Studio" simuliert und anschließend vermessen; in weiterer Folge wurde zur Verbesserung der Mikrowelleneinspeisung ein entsprechender Übergang konstruiert.<br />Ein wesentlicher Teil der Arbeit ist auch die Entwicklung des Niederenergie-Strahltransportes (LEBT) und Vielteilchensimulationen zur Kontrolle der Transporteigenschaften für die 3 MeV Experimentieranlage der CERN/IPHI Kollaboration.<br />Die Dissertation wurde im Rahmen des Österreichischen CERN Doktorantenprogramms, gefördert vom Österreichischen Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur, in der Sektion "Hadron Sources & Linacs" der "Accelerators & Beam Physics" Gruppe durchgeführt.<br />Sie ist außerdem Bestandteil einer Framework 5 Kollaboration (HP-NIS) und von der Europäischen Union per Vertrag N°: HPRI-CT-2001-50021 unterstützt.<br />

An essential improvement for future CERN programs, e.g. the Large Hadron Collider (LHC), the ISOLDE collaboration and the experimental areas of the Proton Synchrotron (PS), is an increase of the intensity and brightness of the proton beam. The current combination of the linear accelerator, Linac2, and the PS Booster Synchrotron (PSB) limits the performance of the subsequent chain of circular accelerators.<br />The injection of H- ions at higher energy with subsequent stripping is an effective possible upgrade. The necessary linear accelerator injects as Linac4 at 160 MeV into the PSB or in its superconducting expansion stage as Superconducting Proton Linac (SPL) at 2.2 GeV directly into the PS.<br />For both options a high performance, high reliability, negative hydrogen ion source with easy maintenance is needed. Design, construction and characterisation of a first H- ion source prototype are the aim of this thesis. Based on the experience in the production of heavy ions at CERN, a microwave driven source was chosen as a starting point. The construction of both a first source prototype, equipped with a magnetic multicusp structure, and the experimental environment allowed a first extraction of H- ions at CERN. For diagnostics a spectrometer for the separation of the electron and the H- ion beam was built.<br />Variation of the source parameters, e.g. microwave power, gas flow, antenna position or polarisation of the plasma electrode, resulted in an increase of the ion current.<br />The multicusp structure was replaced by two solenoids and in succession by a combination of multicusp and solenoidal structure. Experiments with different secondary gas additions, a metal grid for microwave suppression in the plasma chamber, tantalum insets and simulations of the magnetic field were done for each magnetic structure.<br />The microwave system was simulated with Microwave Studio and measured; to improve the microwave injection a taper was constructed.<br />Another important part of this work is the development of the Low Energy Beam Transfer Line (LEBT) and multi-particle simulations to check the transport characteristics for the 3 MeV test stand of the CERN/IPHI collaboration.<br />This work was performed within the Austrian Doctoral Student Programme at CERN, instituted and financed by the Austrian Federal Ministry for Education, Science and Culture in the Hadron Sources & Linacs Section of the Accelerators & Beam Physics Group.<br />It is also supported by the European Commission under contract n°:<br />HPRI-CT-2001-50021.<br />