Studies on the focusing performance of a Gabor lens depending on nonneutral plasma properties

The concept of the Gabor lens goes back to an idea by Dennis Gabor, who proposed a magnetron-type trap as an effective diverging lens for electron beams (collecting lens for positive ion beams). Electrons confined inside the lens volume by orthogonal magnetic and electric fields, create an electric space charge field that causes a radial symmetric focusing force on an ion beam passing through the lens volume. Since the beginning of the 1990s, a new design of this lens type as well as numerical models to describe the confined plasma cloud have been developed at the Institute for Applied Physics (IAP, Johann Wolfgang Goethe-University Frankfurt). Thanks to an improved understanding of the plasma confinement as a function of the external fields, two lenses have successfully been tested for low beam currents and remain in operation. In the scope of this work, the performance of a prototype Gabor lens for the transport of intense, i.e. space charge dominated ion beams, was investigated at the High Current Test Injector (HOSTI) of GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH for the first time. To ensure an optimal focusing performance of the Gabor lens a homogeneous and stable electron confinement is required. Therefore, new non-interceptive diagnostic methods were developed to investigate the parameters and state of the confined nonneutral plasma column as a function of the external fields. An essential part of the studies was the time-resolved diagnostic of an occurring plasma instability and the determination of the electron temperature via optical spectroscopy. The latter necessitated the detailed investigation of atomic excitation as well as the measurement of optical-emission cross sections. A comparison of the results from both experiments i.e. the beam transport measurements at GSI and the diagnostic experiments performed at IAP concerning the plasma state, gave first indications of possible interaction processes between the nonneutral plasma and the ion beam. Das Konzept der Gabor-Linse wurde 1947 erstmals von Dennis Gabor vorgeschlagen, der in seiner Veröffentlichung „A Space-Charge Lens for the Focusing of Ion Beams“ die starke Fokussierwirkung einer eingeschlossenen Elektronenwolke auf Ionenstrahlen beschrieb. Die Gabor-Linse dient dabei als Falle für Elektronen, die durch eine spezielle Konfiguration aus elektrischen und magnetischen Feldern eingeschlossen werden. Sind die Elektronen homogen im Linsenvolumen verteilt, wird ein passierender Ionenstrahl durch das von ihnen erzeugte, lineare, elektrische Feld fokussiert. Am Institut für Angewandte Physik (IAP, Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt) wurde das Design der Gabor-Linse seit den 1990er Jahren stetig weiterentwickelt und darüber hinaus numerische Modelle zur Beschreibung des nichtneutralen Plasmas erarbeitet. Durch das bessere Verständnis des Plasmaeinschlusses und des Systemzustands in Abhängigkeit von den externen Parametern wurden zwei solcher Linsen auch sehr erfolgreich als Niederenergietransportsektion, allerdings bei vergleichsweise geringen Strahlströmen, getestet und befinden sich dort auch weiterhin im Einsatz. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Anwendung einer Gabor-Linse erstmals im Bereich raumladungsdominierter Ionenstrahlen am Hochstromtestinjektor (HOSTI) der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, im Zusammenhang mit dem geplanten FAIR Projekt, untersucht. Ein homogener und zeitlich wie auch räumlich stabiler Plasmaeinschluss ist von großer Bedeutung, um eine gute Abbildungsqualität der Gabor-Linse zu gewährleisten. Daher wurden Diagnosemethoden entwickelt, um die Parameter der eingeschlossenen Plasmawolke zu bestimmen und die Abhängigkeit ihres Zustands von den externen Parametern zu untersuchen. Ein wesentlicher Teil dieser Untersuchungen bestand in der zeitaufgelösten Diagnose von Plasmainstabilitäten und der Bestimmung der Elektronentemperatur durch optische Diagnose. Letztere erforderte eine dedizierte Untersuchung der atomaren Anregungsprozesse sowie die Vermessung optischer Wirkungsquerschnitte. Ein Vergleich der Ergebnisse beider Experimente, d.h. der Strahltransportmessungen bei GSI und der durchgeführten Diagnoseexperimente am IAP, in Bezug auf den Plasmazustand, ergab erste Hinweise auf die möglichen Wechselwirkungsprozesse zwischen nichtneutralem Plasma und Ionenstrahl.