English Title: Development and construction of beam diagnostic systems for the Heidelberg High Current Injector

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Abstract

Mit dem neuen Hochstrominjektor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg können Ionenstrahlen mit Intensitäten bis zu einigen Milliampere beschleunigt werden. Aufgrund der im Vergleich zum alten Injektor um zwei Größenordnungen höheren Strahlströme ist eine Anwendung der bisher an der MPI-Beschleunigeranlage zu Diagnosezwecken eingesetzten Geräte beim neuen Injektor nur noch mit Einschränkungen möglich. Es war deshalb erforderlich, eine Strahldiagnose zu entwickeln, mit der die Strahleigenschaften auch unter den Bedingungen des Hochstrominjektors untersucht werden können. Dazu wurde ein System aus Profilgittern zur Messung von Strahlprofil und -lage bei mittleren Intensitäten (I_Strahl ~ 10 mikroA, DC) aufgebaut. Ein wesentlicher Teil der Arbeit lag dabei in der Entwicklung einer neuen, an die PC-Steuerung des Hochstrominjektors angepaßten Ausleseelektronik. Für den darüber hinausgehenden Strombereich wurde ein Strahlprofilmonitor entwickelt, der die unter dem Einfluß des Strahls ionisierten Restgasteilchen auf einen ortsauflösenden Detektor projiziert. Durch Rechnungen und Simulationen konnte gezeigt werden, daß der dabei auftretende Abbildungsfehler mit <~180 mikrom unterhalb der intrinsischen Auflösung des verwendeten Detektors von 800 mikrom liegt. Schließlich wurde das Phasensondensystem des Hochstrominjektors um eine Phasensonde erweitert, wodurch man nun in der Lage ist, die Strahlenergie unabhängig von Dipolmagneten über eine Flugzeitmessung zu ermitteln. Die während der Strahlzeiten durchgeführten Profil- und Energiemessungen konnten die Einsatzbereitschaft der neuen Diagnosegeräte unter Beweis stellen.

Translation of abstract (English)

The new High Current Injector at the Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg provides ion beams with intensities up to several milliamperes. Compared to the old injector that implies an increase of the ion current by two orders of magnitude. As a consequence, the diagnostic systems employed on the old part of the facility are no longer applicable. It was hence the task of this thesis to develop a beam diagnostics that can be used under the conditions of the High Current Injector. For this purpose a profile grid system for profile and position measurements of beams with intermediate currents (I_beam ~ 10 microA, DC) was set up. This part of the work mainly concerned the development of a new readout electronics matching to the PC-control. For higher ion currents a beam profile monitor based on the projection of the residual gas particles ionized by the interaction with the beam was developed. Calculations and simulations of the projection process showed that the imaging defect of this device, estimated to be <~180 microm, is small compared to the intrinsic resolution of the detector in use, which amounts to 800 microm. Finally the phase probe system of the High Current Injector was supplemented by another phase probe, which allows to determine the ion energy by a time of flight measurement. The profile and energy measurements successfully carried out during beam times proved the functionality of the new diagnostic devices.