Cooling of highly charged ions in a Penning trap for HITRAP [Elektronische Ressource] / presented by Giancarlo Maero

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Rupertus-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Ing. Giancarlo Maeroborn in Savigliano, ItalyOral examination: 12.11.2008Cooling of highly charged ions in aPenning trap for HITRAPReferees: Prof. Dr. H.-Jurge¨ n KlugeProf. Dr. Andreas WolfK¨ uhlung hochgeladener Ionen in einer Penningfalle fur¨ HITRAPDie HITRAP (Highly charged Ions Trap - Falle fur¨ hochgeladene Ionen)-Anlage wird an der GSI, Darmstadt, aufgebaut. HITRAP erm¨ oglicht sehrpr¨ azise atomphysikalische Untersuchungen an hochgeladenen Ionen bei ex-92+trem niedrigen Energien. Sowohl die stabilen Ionen bis hin zu U als auchradioaktive Nuklide werden im GSI Beschleunigerkomplex produziert. DieErzeugung hochgeladenes Ionen erfolgt bei relativistischen Geschwindigkeitenmit Hilfe der Strippertechnik. Danach werden die Ionen im Experimentspe-icherring (ESR) eingefangen und unter Elektronenkuhlung¨ auf 4 MeV/u abge-5bremst. Bundel¨ von 10 Ionen werden in den HITRAP Entschleuniger aus-geschossen, dort auf 6 keV/u abgebremst und dann in einer Penningfalle, derso genannten Kuhlerfalle,¨ gefangen. Hier werden sie mittels Elektronen- undWiderstandskuhlen¨ bis auf 4 K abgekuhlt¨ bevor sie zu den Experimentengeschickt werden.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Rupertus-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Ing. Giancarlo Maero
born in Savigliano, Italy
Oral examination: 12.11.2008Cooling of highly charged ions in a
Penning trap for HITRAP
Referees: Prof. Dr. H.-Jurge¨ n Kluge
Prof. Dr. Andreas WolfK¨ uhlung hochgeladener Ionen in einer Penningfalle fur¨ HITRAP
Die HITRAP (Highly charged Ions Trap - Falle fur¨ hochgeladene Ionen)-
Anlage wird an der GSI, Darmstadt, aufgebaut. HITRAP erm¨ oglicht sehr
pr¨ azise atomphysikalische Untersuchungen an hochgeladenen Ionen bei ex-
92+trem niedrigen Energien. Sowohl die stabilen Ionen bis hin zu U als auch
radioaktive Nuklide werden im GSI Beschleunigerkomplex produziert. Die
Erzeugung hochgeladenes Ionen erfolgt bei relativistischen Geschwindigkeiten
mit Hilfe der Strippertechnik. Danach werden die Ionen im Experimentspe-
icherring (ESR) eingefangen und unter Elektronenkuhlung¨ auf 4 MeV/u abge-
5bremst. Bundel¨ von 10 Ionen werden in den HITRAP Entschleuniger aus-
geschossen, dort auf 6 keV/u abgebremst und dann in einer Penningfalle, der
so genannten Kuhlerfalle,¨ gefangen. Hier werden sie mittels Elektronen- und
Widerstandskuhlen¨ bis auf 4 K abgekuhlt¨ bevor sie zu den Experimenten
geschickt werden. Die Kuhlerfalle¨ wurde zu diesem Zweck entwickelt und
ihr physikalisches und technisches Eigenschaften darauf hin optimiert. Erst-
malig wurden die Kuhlprozesse¨ - insbesondere das Widerstandskuhlen¨ - fur¨
eine große Zahl hochgeladener Ionen mit Hilfe umfangreicher Simulationen
untersucht. Die Simulationen lieferten sowohl ein generelles Verst¨andnis der
Prozesse in der Falle als auch wichtige Informationen fur¨ das Fallendesign.
Cooling of highly charged ions in a Penning trap for HITRAP
The HITRAP (Highly charged Ions Trap) facility is being set up at GSI,
Darmstadt. It will enable high-precision atomic physics investigations on
92+heavy, highly charged ions at extremely low energies. Species up to U as
well as radioactive nuclides will be produced at the GSI accelerator complex
by stripping of all or nearly all electrons from relativistic ions. Injected
into the Experimental Storage Ring (ESR), they will be electron-cooled and
5decelerated to 4 MeV/u. Bunches of 10 ions will be further decelerated in
the HITRAP linear decelerator down to 6 keV/u and injected in a Penning
trap. In this so-called Cooler Trap they will be cooled to 4 K via electron and
resistive cooling before being sent to the experimental set-ups. The physical
and technical design of the Cooler Trap has been conceived and optimized
for this purpose. Moreover, the cooling processes for a high number of highly
charged ions, and in particular the resistive cooling technique, have been
systematically investigated in extensive simulations for the first time in order
to gain sufficient information both for a general understanding and the design
of the Cooler Trap.aSimona
There is always an easy solution to every human problem – neat, plausible,
and wrong.
H. L. MenckenContents
1 Introduction 1
2 The HITRAP facility 5
2.1 HITRAPOverview......................... 6
2.2 Highlychargedionproduction.... 8
2.3 The HITRAP decelerator........... 9
2.3.1 TheDouble-DriftBuncherandIH-Linac.....10
2.3.2 The Radio Frequency Quadrupole Decelerator . . ....13
2.4 Thelow-energysection...................15
2.4.1 TheLow-EnergyBeamTransportline ..........15
2.4.2 TheCoolerTrap.......18
2.4.3 TheVerticalBeamlineandEBIT.............20
2.5 HITRAPexperiments....................21
2.5.1 Massmeasurements.....................22
2.5.2 g-factormeasurements....2
2.5.3 Laserspectroscopy..........23
2.5.4 Reactions...........24
3 Physics and design of the Cooler Trap 25
3.1 Penningtrapbasics.........................25
3.2 Colectiveproperties.........28
3.3 Electromagneticcharacterization ......31
3.3.1 Orthogonal vs Multi-Ring traps ..........32
3.4 ThechoiceofaParticle-In-Cel(PIC)code............38
3.4.1 StructureofthePICcode.............40
3.4.2 Particleadvancementalgorithms .............42
3.5 Benchmarkingofthecode......47
3.5.1 Singlychargedions....47
3.5.2 Highlychargedions.................51
4 Simulation of the cooling mechanisms 53
4.1 Electroncooling................53
4.2 Theoryofresistivecooling.................58
4.2.1 Imagecharge.............58
III CONTENTS
4.2.2 Imagecurrentthroughanexternalcircuit ........62
4.2.3 Disipationoftheimagecurent.......63
4.3 Simulationofresistivecooling............67
4.3.1 ImplementationinthePICcode.......68
5+4.3.2 The C trap:comparisonwitharealcase.70
5+4.3.3 Systematic studies on the C trap.....75
4.3.4 SimulationsontheHITRAPCoolerTrap.........84
5 Technical design and commissioning 91
5.1 Trapvacuum............................91
5.2 Mechanicaldesign........93
5.2.1 The superconducting magnet ........93
5.2.2 Theelectrodestack..........97
5.2.3 Electronicsboxandconnectionsystem...104
5.3 Trapelectronics....................107
5.4 Thetestionsource..............109
5.5 Electronsources11
6 Summary, conclusions and outlook 115
Bibliography 117
Acknowledgments 129

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