German Title: Fortschritte bei Entwurf, Modellierung und Betrieb von Hochleistungs-Elektronenstrahl-Ionenquellen

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Abstract

Highly charged ions see widespread use in fundamental research, medicine, and industry. This thesis describes development work carried out to improve on the charge breeding performance of electron beam ion sources (EBIS) and to advance their modelling in computer simulations. Established expressions for the mathematical modelling of the charge breeding of trapped ions are reviewed and the implementation of a modern software package for the simulation of charge breeding dynamics is put forward. Simulation results are compared to experimental data containing signatures of dielectronic recombination reflected in the emerging charge state distribution. REXEBIS, processing rare isotope beams at the ISOLDE facility, has been upgraded with a new, weakly-immersed electron gun to increase its reliability and raise the available electron current density. Here, a passive magnetic element is used to dampen radial electron beam oscillations resulting from space charge defocusing. The damping technique is investigated and results of extensive commissioning experiments characterising the efficiency of the upgraded EBIS are presented. MEDeGUN, a prototype for a \SI{1}{A} Brillouin-type electron gun for medical charge breeding applications, has been characterised at the TwinEBIS test stand. The measurement campaign reveals multiple critical performance limitations, such as a stagnation of charge breeding and large ion losses, warranting further investigations. The design study for a dedicated ion beamline which will support future experiments is summarised.

Translation of abstract (German)

Hochgeladene Ionen finden eine breite Anwendung in der Grund\-la\-gen\-for\-schung, Medizin und Industrie. Diese Dissertation beschreibt Entwicklungsarbeiten, die durchgeführt wurden, um die Leistung der Ladungsbrütung in Elektronenstrahl-Ionenquellen (EBIS) zu verbessern und deren Modellierung in Computersimulationen voranzutreiben. Etablierte Ausdrücke zur mathematischen Modellierung des Ladungsbrütens gefangener Ionen werden besprochen und die Implementierung eines modernen Softwarepaketes für die Simulation von Ladungsbrütern wird vorgestellt. Simulationsergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen, die Signaturen von dielektronischer Rekombination enthalten, welche sich in der entstehenden Ladungszustandsverteilung widerspiegeln. REXEBIS, welche an der ISOLDE Anlage Strahlen seltener Isotope verarbeitet, wurde mit einer neuen, schwachen Magnetfeldern ausgesetzten, Elektronenkanone aufgerüstet, um ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen und höhere Elek\-tro\-nen\-strom\-dicht\-en verfügbar zu machen. Dabei wird ein passives magnetisches Element verwendet, um radiale Oszillationen des Elektronenstrahls zu dämpfen, die in Folge der raumladungsgetriebenen Defokussierung auftreten. Die Dämpfungstechnik wird erkundet und die Ergebnisse umfangreicher Experimente zur Inbetriebnahme der aufgerüsteten EBIS werden präsentiert. MEDeGUN, ein Prototyp für eine \SI{1}{A} Brillouin-artige Elektronenkanone für medizinische Ladungsbrütungsanwendungen, wurde am TwinEBIS Teststand charakterisiert. Die Messkampagne zeigt verschiedene kritische Leistungslimitierungen auf, wie zum Beispiel ein Stagnieren des Ladungsbrütungsprozesses und starke Ionenverluste, und motiviert so weitergehende Untersuchungen. Die Entwurfsstudie für ein dediziertes Ionenstrahltransportsystem, das zukünftige Messungen unterstützen soll, wird zusammengefasst.