Ionenstrahlen am Beschleuniger

Maier-Leibnitz-Laboratorium

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85748 Garching

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Mit dem Tandem-Beschleuniger können sehr viele unterschiedliche Ionen beschleunigt werden. Das Spektrum der Ionen reicht vom Ion des Wasserstoffs (Proton) bis hin zu schweren Kernen wie Gold. Die Energie der Ionen kann berechnet werden aus:

 

E [eV]= e(q+1)*U

 

E: Elementarladung,

q: Ladungszustand nach dem Stripper

U: Terminalspannung (max. 14 MV)

 

Nach dem Stripper (Folien- bzw. Gasstripper) liegen die Ladungszustände in Form einer Verteilung F(q) vor. Welcher Ladungszustand mit welcher Ausbeute vorliegt hängt unter anderem von der Terminalspannung ab. Möchte man einen möglichst hohen Ionenstrom, dann muss man den Ladungszustand mit der höchsten Ausbeute wählen. Ev. ist das aber nicht der Zustand, der die gewünschte Energie liefert, dann muss ein Kompromiss getroffen werden.

 

 

Bild 1: Ladungsverteilung von Sauerstoff nach passieren der Stripperfolie bei einer Terminalspannung von z.B. 8 MV (8 MeV/16=0,5 Mev/u).

Aus Beam-Programm Q=4 (6%), Q=5 (40%), Q=6 (45%), Q=7 (8%)

Bild 2: Ladungsverteilung von Gold nach der Stripperfolie. Für Terminalspannung von 4 MV ergibt sich 0,02 MeV/u bzw. für 14 MV erhält man 0,07 MeV/u.

Bilder der Ladungsverteilungen sind entnommen aus „Atomic Data and Nuclear Data Tables“ 51,173-241 (1992), K. Shima et. al.

 

 

Bild 3: Ionenergien bei einer Terminalspannung von 14 MV unter der Randbedingung, dass der Ladungszustand mit mind. 1% Wahrscheinlichkeit nach der Stripperfolie vorliegt (blaue Kurve). Die höchsten Ionenströme erhält man für das Maximum von F(q), also dem am häufigsten auftretenden Ladungszustand (lila Kurve).

 

 

Durch einen weiteren Folienstripper zischen der 5 und 6 Sektion (Sektion 1 bis 4 auf der Niederenergieseite, Sektion 5 bis 8 auf der Hochenergieseite) kann zu noch höheren Ladungszuständen gestrippt werden. Dadurch kann der Energiegewinn auf den restlichen drei Sektionen gesteigert werden. So kann für Gold eine Energie bis zu 370 MeV erreicht werden. Jedoch sind die erreichbaren Ströme dann sehr klein.

Da für einen Betrieb eines Tandem Beschleunigers prinzipiell negativ geladene Ionen benötigt werden, können keine Edelgase beschleunigt werden. Einzige Ausnahme stellt Helium dar, das z.B.  in einem Duoplasmatron als Ionenquelle mit negativer Ladung erzeugt werden kann.

Eine untere Grenze für die Ionenenergien ergibt sich dadurch, dass die Terminalspannung nicht kleiner als 4 MV sein kann, da dann die Stabilisierung  der Terminalspannung nicht mehr vernünftig arbeitet.

 

 

Tabelle 1: Ionen im Experimentierbetrieb in den Jahren 2006 und 2007

 

In der Tabelle 1 sind die Ionensorten und Energien aus zwei Jahren Experimentierbetrieb aufgelistet.

Die angeführten min. und max. Energien sind die für Experimente tatsächlich verwendeten Teilchenenergien. Die angegebenen Werte stellen demnach nicht die Unter- bzw. Obergrenze der verfügbaren Energien dar.

Die Teilchenströme reichen von Einzelteilchen pro Sekunde bis in den Bereich von 1-2 pµA (p steht für particle). Angegeben sind die Ströme am Faraday-Cup nach dem Analysiermagneten. Die höchsten Ströme werden für die leichten Ionen erreicht, während hin zu den schweren Ionen die erreichbaren Strahlströme immer weiter abnehmen (Gold z.B.  max. xx pnA). Außerdem hängen die erreichbaren Strahlströme von der jeweiligen Ionensorte ab. Entscheidend ist hier die negative Ionisierbarkeit in der Ionenquelle. Sehr schwierig ist hier z.B. 40 Ca. mit max. xx pnA. Es handelt sich hierbei nur um einen kleinen Ausschnitt der tatsächlich machbaren Ionensorten, Energien und Ströme. Zu beachten ist auch, dass Ionen, die für AMS Studien verwendet wurden aufgeführt sind (mit * gekennzeichnet). Bei diesen Ionen handelt es sich nicht um einen Ionenstrahl, sondern um die Beschleunigung einzelner Teilchen zum anschließenden Nachweis in einem Detektor. Protonen und Deuteronen können auch als polarisierter Strahl erzeugt werden. Chopper und Buncher erlauben dem DC-Ionenstrahl eine Zeitstruktur zu geben. Pulslängen bis ca. 1 ns sind erreichbar.