Simulation zweier Elektronenkanonen mit invertierter Geometrie

Simulation zweier Elektronenkanonen mit invertierter Geometrie

Miniforschung

Seit 1991 ist der supraleitende, rezirkulierende Elektronen-Linearbeschleuniger S-DALINAC (Superconducting-Darmstadt-Linear-Accelerator) das zentrale Forschungsgerät des Instituts für Kernphysik an der TU-Darmstadt und ist seit 2003 ein zentraler Bestandteil des Sonderforschungsbereichs (SFB) 634 “Kernstruktur, nukleare Astrophysik und fundamentale Experimente bei kleinen Impulsüberträgen am supraleitenden Darmstädter Elektronenbeschleuniger S-DALINAC” [3]. Im SFB 634 wird die elektrische und magnetische Kernanregung bei niedrigen Energien untersucht. Dazu wurde eine 100 kV polarisierte Elektronenquelle dem existierenden Aufbau hinzugefügt, um komplementär zur bereits existierenden 250 keV thermionischen Quelle betrieben zu werden. Der Einsatz polarisierter Elektronen ermöglicht das Durchführen von Streuexperimenten mit Elektronen und Photonen. Derzeit ist die Energie, der aus der 100 keV Quelle emittierten Elektronen namens SPIN (Spin Polarized Injector) zu gering, um im Hauptbeschleuniger verwendet zu werden. Dazu befindet sich im Anschluß am normalleitenden Injektor eine supraleitende zweizellige Beschleunigerkavität, deren Betrieb sich in der Vergangenheit als sehr problematisch erwiesen hat. Um diese Kavität obsolet werden zu lassen, muss die Hochspannung der polarisierten Quelle erhöht werden. Der limitierende Faktor dabei ist hauptsächlich die Gefahr von Spannungsdurchschlägen auf umliegende Maschinenbauteile, da an der Kuppel Hochspannung anliegt. Zusätzlich dazu wurde im Rahmen der Dissertation von Martin Espig eine Testquelle am Institut für Kernphysik aufgebaut. Diese Testquelle, Photo-CATCH (Photocathode activation, test and cleaing with atomic hydrogen) genannt, emittiert polarisierte Elektronen bei einer Spannung von bis zu 60 kV. Die Elektrode ist in einer sogenannten invertierten Geometrie gebaut, wodurch nur innerhalb der Vakuumkammer Hochspannung anliegt und somit die Gefahr von Spannungsdurchschlägen vermieden wird. Diese Arbeit stellt die mögliche Umsetzung einer invertierten Geometrie für die polarisierte Quelle SPIN vor, um die derzeitige Strahlenergie von 100 keV zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden die invertierten Elektrodendesigns von SPIN und Photo-CATCH mit CST Studio Suite in einem Energiebereich von 60 bis 300 keV simuliert und verglichen. Dabei wird vor allem auf die Emittanz des Elektronenstrahls eingegangen.