:: Forschungsgebiete


Das Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe Beschleunigerphysik von Prof. Dr. Oliver Kester liegt in den Gebieten Beschleuniger- und Ionenquellenphysik und der Teilchenoptik. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Erzeugung und den Transport von raumladungsbehafteten Strahlen (Ionen und Elektronen) und der Entwicklung von modernen Resonatorstrukturen für deren Beschleunigung. Der zukünftige FAIR Beschleunigerkomplex erfordert Entwicklungen zu höchsten Strahlintensitäten und Strahlleistungen. Hohe Strahlbrillianzen sind erforderlich, da nur sehr geringe Strahlverluste akzeptiert werden können, die Beschleunigerkomponenten thermisch belasten und aktivieren können. Daher sind Entwicklungen in allen Bereichen der Beschleunigerphysik erforderlich, von den Ionenquellen bis hin zu den Speicherringen.

Bei den Ionenquellen für hochgeladene Ionen sind die Elektron Zyklotron Resonanz Ionenquelle (EZR) als Quelle intensiver Strahlen mehrfach geladene Ionen und die Elektronenstrahl-Ionenquellen (EBIS) als Quelle von intensiven gepulsten Strahlen höchstgeladener Ionen von grossem Interesse. Vor allem die Untersuchung der Extraktion von intensiven Strahlen hochgeladener Ionen aus einer EZR und des anschließenden Strahltransports mit Strahlkollimation zur Optimierung der Strahlbrillianz sind der Schlüssel zu höheren Strahlbrillianzen vor dem Einschuss in den nachfolgenden Beschleuniger. Die Optimierung der EBIS zur Quelle für Pulse intensiver Strahlen zum Einschuss in ein Synchrotron oder als Ladungsbooster für Experimente mit Sekundärstrahlen zählt zu einem der Forschungsthemen der Gruppe im Rahmen der Ionenquellenphysik. Dazu zählt auch die Erzeugung von Elektronenstrahlen als Targets oder zum Einsatz in der Produktion von Ionen.

Bei intensiven Strahlen in Ionenspeicherringen versucht man die Teilchen möglichst nicht in kurze Bunche zu fokussieren, sondern große Bereiche des Ringumfang zu nutzen, um damit die Raumladungseffekte zu minimieren. Zusätzlich muss man bei FAIR Strahlen in den Ringen schnell bezüglich der Energie und der Strahlemittanz zu manipulieren. Das Einfangen und Speichern von Ionen muss dann mittels gepulsten HF-Barrieren eines "barrier bucket" HF-Systems erfolgen, welche im Moment Gegenstand aktueller Forschung bei Ringkavitäten sind. Generell sind die Ausbildung an und Untersuchungen zu Ringbeschleunigern ein weiterer Gegenstand der Arbeitsgruppe.

Desweiteren sind natürlich Diagnostiksysteme ein wesentlicher Bestandteil von Ionenbeschleunigern. Dazu zählen sowohl die Strahldiagnostik, sowie Vakuumdiagnostiksysteme. Die Messung von extremen Vakuumdrücken (XHV) und von Strahlparametern, wie Strahlprofile und Strahlemittanzen von intensiven Schwerionenstrahlen, werden von der AG Beschleunigerphysik verfolgt.



Erzeugung hochbrillianter Ionenstrahlen hochgeladener Ionen aus Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen für die optimale Injektion in einen Linearbeschleuniger
Diese Untersuchungen beschäftigen sich mit dem theoretischen Verständnis der Ionenextraktion aus einem Multikomponentenplasma und die Erkenntnisse diesbezüglich experimentell zu verifizieren. Dazu sollen intensive Strahlen hochgeladener Ionen aus einer EZR extrahiert wie auch Hochstromionenquellen untersucht werden. Um die größtmögliche Brillianz (Strahlstrom/Emittanz) zu erzeugen, soll ein Kollimationskanal ausgelegt und aufgebaut werden, der direkt die Optimierung der Strahlbrillianz erlaubt, indem die Akzeptanz des nachfolgenden Beschleunigers durch die Aperturen vorgegeben wird.



Transversales Elektronentarget
Untersucht wird der Aufbau eines transversalen Elektronentarget für Experimente zur Kollision von hochgeladenen Ionen und Elektronen. Konzeptionell liefert solch ein freies Elektronentarget die besten Bedingungen für "colliding beam" Experimente. Hier können sowohl Stossionisation wie auch Umladungsquerschnitte gemessen und die zugrundeliegende Atomphysik untersucht werden.
  • Keine störenden Magnetfelder
  • Großer Bereich der Elektronenstrahlenergie zulässt (eV bis keV Bereich)
  • Elektronenspektroskopie möglich
  • Tests am elektrostatischen Speicherring des IKF in Frankfurt oder bei HITRAP an der GSI bei niedrigen Ionenenergien
  • Transversaler Impulsübertrag ist gering


Strahldiagnose für intensive Ionenstrahlen
Intensive Ionenstrahlen stellen hohe Anforderungen an die bereits existierende sowie die zukünftige Stahldiagnose bei GSI und FAIR. Verschiedene Komponenten existierender Messsysteme werden dabei bis über die Materialgrenzen belastet. Auch die Lebenszeit elektronische Bauteile, wie zum Beispiel in Kameras, werden durch die höheren Strahlungspegel deutlich reduziert. Deshalb gehört die Forschung und Entwicklung an Strahldiagnosekomponenten zu den notwendigen Schritten hin zu FAIR.

Ein wichtiges Instrument zur Bestimmung transversaler Strahlparameter, wie Intensitätsverteilung und Emittanz, sind Leuchtschirme. Sie stellen durch ihre 2-dimensionale Abbildung des Ionenstrahls Informationen zur Verfügung, die nur schwer mit anderen Messverfahren, wie Profilgitter, gewonnen werden können.

Trotz des langjährigen Einsatzens von Leuchtschirmen an Beschleunigeranlagen weltweit, sind ihre Abbildungseigenschaften, Messfehler und das dynamische Verhalten nur unzureichend bekannt. Für quantitative Messungen ist daher die Entwicklung einer Modellvorstellung nötig die Vorhersagen über die Qualität der Abbildung ermöglicht. Die aktuelle Forschung in diesem Feld zeigt, dass die Abbildungseigenschaften von Parametern wie
  • dem Leuchtschirm-Material (z.B. Aluminiumoxid)
  • der Schirmtemperatur
  • der akkumulierten Fluenz
  • sowie der Anregungsdichte
abhängig sein können.