Characterisation of a 2 MHz driven inductively coupled plasma generator for H-production

Abstract

The accelerator complex of CERN (Switzerland) is currently the subject of an upgrade comprising a new injector, namely the linear accelerator Linac4. Not only is this new accelerator going to provide higher energetic beams than its predecessor Linac2, increasing from 50 MeV to 160 MeV, but also will it operate with negatively charge hydrogen ions instead of pure proton beams. This is the key feature towards a major improvement of beam injection into the PS Booster and better beam quality. The ion source delivering this negative hydrogen beam is based on the volume RF H- source developed at DESY which should suffice Linac4 specifications of an 80 mA H- beam at 45 keV a pulse length of 0.4 ms and a repetition rate of 2 Hz. In a recent study the Linac4 accelerator serves as the first stage of a 430 meter long superconducting linac, the SPL. This accelerator design demands a different source beam viz. an 80 mA at 45 keV, an increased pulse length of ~1.2 ms and a repetition rate of 50 Hz, increasing the duty factor to 6%. This requires a redesign of the Linac4-DESY source to meet the SPL specifications. This thesis deals with an evolution of the Linac4-DESY ion source to develop a new version, which satisfies SPL requirements. As a consequence a new plasma generator (PG) has been designed and constructed.

Der Beschleunigerkomplex des europäischen Forschungszentrums CERN (Schweiz) wird gerade um einen neuen Injektor, dem Linac4 Linearbeschleuniger, erweitert. Dieser Beschleuniger soll den gegenwärtigen Linac2 Injektor ersetzen und einen Teilchenstrahl von 160 MeV statt der bisherigen 50 MeV, zur Verfügung stellen. Zusätzlich wird der neue Linac mit negativ geladenen Wasserstoffionen betrieben anstatt des üblichen Protonenstrahls. Dies ist einer der Hauptgründe für die verbesserte Strahlinjektion in den nachfolgenden PS Booster sowie der verbesserten Strahlqualität. Die Ionenquelle welche den negativen Wasserstoffstrahl mit nomineller Intensität von 80 mA bei einer Teilchenenergie von 45 keV, einer Pulslänge von 0.4 ms sowie einer Wiederholrate von 2 Hz liefern soll basiert auf einer Ionenquelle welche am deutschen Beschleunigerzentrum DESY (Hamburg) entwickelt wurde. Eine gegenwärtige Studie beschäftigt sich mit einem Upgrade des Injektors, welches den Linac4 Beschleuniger als erstes Element eines 430 Meter langen supraleitenden Linearbeschleunigers (SPL) sieht. Dieses Beschleunigerdesign stellt andere Anforderungen an den von der Quelle zur Verfügung gestellten Strahl: neben einem unveränderten Ionenstrom von 80 mA bei einer Energie von 45 keV, sollen Pulse von 1.2 ms Länge mit einer Wiederholrate von 50 Hz extrahiert werden was das Tastverhältnis auf 6% erhöht und eine Neugestaltung der Linac4-DESY Quelle verlangt um den anspruchsvollen Spezifikationen zu genügen.Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung der Linac4-DESY Quelle um eine Version zu entwickeln welche den SPL Anforderungen genügt. Als Konsequenz wurde ein neuer Plasmagenerator (PG) entwickelt und konstruiert.