Auswirkung der Höhenverstellbarkeit auf die Injektionsflächen

Abschließend wurde noch die Auswirkung der Höhenverstellbarkeit auf die Injektionsflächen untersucht. Dazu wurden für die Geometrie design4, bei welcher das erste Mal die Höhenver-stellbarkeit des Injektionsexperiments berücksichtigt wurde, mehrere Unterversionen erzeugt, welche unterschiedliche Höhendifferenzen zwischen dem Injektions- und Transportkanal aufwei-sen. Um die Unterversionen zu unterscheiden, wurden diese durch einen Großbuchstabe hinter dem Geometrienamen gekennzeichnet. Dabei kann die Höhendifferenz von 75 mm bis 175 mm in 5 mm Schritten variiert werden, wobei dies mit den Großbuchstaben von C bis W gekenn-zeichnet wird. In Tabelle 2.5 sind alle Unterversionen der Geometrie design4 aufgelistet sowie die Höhendifferenzen angegeben.

Zur Untersuchung des Injektionssystems wurden Simulationsreihen mit mehreren, aber nicht al-len Höhendifferenzen durchgeführt. Die Magnetfeldstärken wurden bei alal-len diesen Rechnungen auf 100 % gesetzt. Zur Analyse wurden wieder in Injektionsflächen für die Verluste im zweiten Toroid und Endtank betrachtet. In Abbildung 2.26 sind diese für alle drei Wasserstoffionenspe-zies sowie für drei Höhendifferenzen – die kleinste, mittlere und größte – dargestellt.

2.5 Untersuchungen zum finalen Injektionssystem

Bei der Auswertung dieser Injektionsflächen lässt sich feststellen, dass sich durch die Variation der Höhendifferenz Größe, Form und Position der Flächen verändert. Dabei tritt bei H⁺₁ Injek-tionsstrahlen nur eine geringfügige Veränderung auf. Die Fläche des gelben Bereichs wandert zunächst etwas nach unten und anschließend verschwindet diese oben in der Mitte. Die Größe des Bereich mit einer Transmission von 100 % variiert von 24 cm² über 28 cm² auf wiederum 24 cm² nur gering. Bei H⁺₂ Injektionsstrahlen weitet sich die Injektionsfläche dagegen von links oben in die Mitte deutlich aus. So ist der gelbe Bereich anfangs mit 52 cm² zwar schon deutlich größer als bei den H⁺₁ Ionen, nimmt dann auf 76 cm² zu und wird abschließend wieder auf 64 cm² reduziert. Bei der maximalen Höhendifferenz verkleinert sich die Fläche dabei hauptsäch-lich oben links. Bei H⁺₃ Injektionsstrahlen tritt ein vergleichbares Verhalten auf. So ist der gelbe Bereich zunächst mit 80 cm² schon größer als der größte der H⁺₂ Ionen, nimmt dann aber noch auf 120 cm² deutlich zu und nimmt anschließend wieder etwas auf 104 cm² ab. Während das grundlegende Verhalten bei allen drei Spezies gleich ist und alle bei der mittleren Höhendifferenz eine maximale Injektionsfläche aufweisen, wird diese aber generell je größer umso schwerer die Ionenspezies sind. Es ist also festzustellen, dass die Höhendifferenz zwar eine Auswirkung auf die Injektionsflächen für die Verluste im zweiten Toroid und Endtank hat, diese für die prinzipielle Funktionalität des Injektionssystems aber eine untergeordnete Rolle spielt. Die Variation der Ionenspezies oder der Magnetfeldstärke der Injektionsspule hat relativ betrachtet eine deutlich größere Auswirkung auf die Injektionsfläche als die Höhendifferenz. Betrachtet man zusätzlich noch die Injektionsflächen für die Verluste im Endtank für die drei Spezies (hier nicht grafisch präsentiert), welche bei dieser Magnetfeldstärke bei den H⁺₁ Ionen gar nicht, bei den H⁺₂ Ionen nur bei geringen Differenzen schwach und bei den H⁺₃ Ionen etwas stärker und über einen etwas größeren Differenzbereich aber trotzdem nicht nennenswert auftreten, so wird die Aussage bzgl.

der geringen Auswirkung der Höhendifferenz zwischen Injektions- und Transportkanal unter-mauert.

Neben der Auswirkung auf der Injektionsstrahl hat die Veränderung der Höhendifferenz auch Auswirkungen auf den Ringstrahl. In Abbildung 2.27 sind dazu die Injektionsflächen der Ver-luste der H⁺₃ Ringstrahlen im Endtank für drei Höhendifferenzen dargestellt. Dabei werden die Differenzen von 75 mm, 100 mm und 125 mm präsentiert. Bei größeren Differenzen verändert sich die Transmission dabei nicht mehr im Vergleich zur Einstellung mit 125 mm.

Es ist zu beobachten, dass mit steigender Höhendifferenz die Transmission der Ringstrahlen zu-nimmt. Der Strahl wird also weniger stark durch den Injektionsmagneten beeinflusst. Betrachtet man dazu wieder das Gedankenmodell, so bedeutet dies, dass sich die magnetischen Kanäle ver-ändern müssen. Wird die Injektionsspule weiter nach oben gefahren und der Abstand dieser zum zweiten Toroid damit vergrößert, verschiebt und verkleinert sich der magnetische Injektionska-nal zwischen den beiden Toroiden, so dass der magnetische TransportkaInjektionska-nal verschoben wird und dort mehr Platz einnehmen kann. Dadurch können die Ringstrahlen den Transportkanal verlustfreier durchqueren und die Transmission steigt.

Betrachtet man die beiden hier präsentierten Auswirkungen der Variation der Höhendifferenz zusammen, so lässt sich festhalten, dass sich durch diese die Injektionsflächen der Injektionsstrah-len zwar nur leicht verändern, gleichzeitig aber die Auswirkungen auf die RingstrahInjektionsstrah-len deutlich stärker ausfallen können. Exemplarisch ist dies im Rahmen der Simulationsreihen für die H⁺₃ Ionen präsentiert worden. So verändern sich die Injektionsflächen der Injektionsstrahlen für den Transport in den zweiten Toroid und Endtank von der tiefsten bis zur mittleren Höhendifferenz aus experimenteller Sicht nicht entscheidend, während sich die Transmission der Ringstrahlen, welche genauso entscheidend für eine erfolgreiche Injektion ist, von um die 20 % auf 100 % er-höht. Die mittlere Höhendifferenz ermöglicht es also, dass sowohl die Injektionsstrahlen als auch die Ringstrahlen die Bedingungen für eine erfolgreiche Injektion erfüllen. Die Höhendifferenz stellt somit eine weitere Variable zur Konfiguration des Injektionssystems dar, mittels welcher

2.5 Untersuchungen zum finalen Injektionssystem

Abbildung 2.26: Injektionsflächen für den Strahltransport von H⁺₁ (oben), H⁺₂ (Mitte) und H⁺₃ (unten) Injektionsstrahlen in den zweiten Toroid und Endtank in Abhängigkeit von der Höhen-differenz zwischen Injektions- und Transportkanal (design4x) / HöhenHöhen-differenz (v.l.n.r.):

75 mm (x:C), 125 mm (x:M) und 175 mm (x:W)

Abbildung 2.27: Injektionsflächen für den Strahltransport von H⁺₃ Ringstrahlen in den Endtank in Ab-hängigkeit von der Höhendifferenz zwischen Injektions- und Transportkanal (design4x) / Höhendifferenz (v.l.n.r.): 75 mm (x:C), 100 mm (x:H) und 125 mm (x:M)

2.5 Untersuchungen zum finalen Injektionssystem

neben der Injektion der Injektionsstrahlen auch die Auswirkungen des Injektionsmagnets auf die Ringstrahlen gesteuert werden kann. Einer stärkeren Auswirkung auf die Ringstrahlen auf-grund einer Erhöhung der Magnetfeldstärke der Injektionsspule um die Injektionsflächen der Injektionsstrahlen zu vergrößern, lässt sich auf diesem Weg möglicherweise entgegenwirken. Bei der Optimierung des Injektionssystems und der Suche nach optimalen Parametern sollte die Höhendifferenz somit in die Analysen mit einbezogen werden.

Abbildung 3.1: Zustand des Injektionsexperiments zu Beginn dieser Arbeit / Bild entnommen aus [2]

(S. 50)

3 Entwicklung und Aufbau des Experiments

Die Entwicklung und der Aufbau des Injektionsexperiments stellen den zeitlich aufwendigsten Teil dieser Dissertation dar. Der Grund dafür ist in den vielen, teils aufwendigen und von Grund auf neu entwickelten Bauteilen zu finden, welche zuvor mittels Simulationen untersucht werden mussten (siehe Kapitel 2). Dabei weisen diese Eigenschaften und physikalischen Randbedingun-gen auf, welche für die Entwicklung und Fertigung eine hohe Herausforderung darstellten.

Der Ausgangspunkt für den Aufbau des Injektionsexperiments war der Zustand des experimen-tellen Aufbaus, wie dieser am Ende der Masterarbeit [2] vorlag. Ein Foto von diesem Zustand ist in Abbildung 3.1 zu sehen. Die grundlegende Planung des Injektionsexperiments, die Aufteilung des Platzes sowie das Verlegen der Versorgungssysteme und die Unterbringung der Peripherie wurde schon in der Masterarbeit durchgeführt und teilweise umgesetzt. Zu Beginn dieser Arbeit waren die beiden Injektoren (Ring- und Injektionsinjektor: Ionenquelle, Faraday-Tasse und Sole-noid), die beiden dazugehörigen Hochspannungsterminals, die beiden Toroidsegmente (Toroide) sowie die Netzteile für alle genannten Komponenten vorhanden und weitgehend funktionsfähig.

Der erste Filterkanal, welcher in der Masterarbeit untersucht und erforscht wurde, war einsatz-bereit, aber nicht aufgebaut.

Im Folgenden wird im einzelnen auf die entwickelten Komponenten, deren Zusammenspiel und den Aufbau des Injektionssystems mit diesen eingegangen.

3.1 Einbau und Upgrade vorhandener Komponenten

Abbildung 3.2: Foto des ersten Filterkanals mit CF160 Kreuzstück und eingebauter Pneumatik für die Faraday-Tasse

3.1 Einbau und Upgrade vorhandener Komponenten

In einem ersten Bauschritt wurde der vorhandene erste Filterkanal eingebaut und damit der vordere Teil des Transportkanals vervollständigt. Dazu wurde der Filterkanal an den Solenoid des Ringinjektors montiert und mit dem ersten Toroid verbunden, wobei zwischen dem Ende des Filterkanals und dem CF200 Eingangsflansch des Toroids ein CF160 Kreuzstück sowie ein CF160 auf CF200 Übergangsflansch eingebaut wurde. Am oberen Anschluss des Kreuzstücks wurde eine Faraday-Tasse mit einer Pneumatik zum Herausfahren aus dem Strahlkanal instal-liert, um den gefilterten Strahlstrom hinter dem Filterkanal messen zu können. Ein Foto von diesem Aufbau ist in Abbildung 3.2 zu sehen. Die Möglichkeit zur Messung des Strahlstroms wird benötigt, da frühere Untersuchungen gezeigt haben, dass aus den gemessenen Verlustströmen des ersten Filterkanals nicht präzise auf den Strom hinter der Blende geschlossen werden kann [2]. Bei der eingebauten Faraday-Tasse handelt es sich um die Standardtasse des Experiments, welche zusammen mit dem ersten Filterkanal entwickelt und untersucht wurde. Eine solche Tasse wurde auch im alten Injektor vor dem Solenoid mit neuer Pneumatik nachgerüstet, da es sich bei der alte Tasse um eine offene Konstruktion ohne Mantel zum Schutz der Messtasse gegen Sekundärelektronen von hinten handelte. Die Standardtasse ist dagegen mittels eines geerdeten Mantels verschlossen und damit gegen eine Verfälschung der Strahlstrommessung aufgrund von Sekundärelektronen geschützt.

Neben den Arbeiten an und mit neuen Teilen wurden im Rahmen dieser Arbeit auch einige Ver-änderungen, Anpassungen und Reparaturen an den bestehenden Komponenten vorgenommen.

Das alte Hochspannungsterminal wurde aufgrund technischer Probleme umgebaut, so dass mit diesem vorerst nur noch eine Ionenquelle betrieben werden kann. Das neue Hochspannungster-minal wurde um ein Spannungsmessgerät erweitert, um die Bogenspannung genauer messen zu können. Ein Veränderung, die an beiden Hochspannungsterminals durchgeführt wurde, war der Einbau der Druckmessanzeigen für die Plasmakammer der beiden Quellen in den