A3 Raumladungseffekte

Thema

Bei sehr hoher Teilchendichte und relativ niedriger Energie eines Strahls – eine typische Kombination in den frühen Phasen der im Abschnitt „Moden“ beschriebenen mehrstufigen Injektionskette, direkt nach der Quelle oder in den ersten niederenergetischen Ringen – wird die elektrische Abstoßung zwischen gleichgeladenen Teilchen, die normalerweise im Vergleich zu den Kräften externer Magnete bei hohen Energien vernachlässigbar ist, zu einer vergleichbaren oder sogar dominanten Kraft. Dieses Phänomen, der sogenannte Raumladungseffekt, wirkt als zusätzliche nichtlineare Unschärfe, die der durch die Quadrupole (siehe Grundlagen) erzeugten Fokussierung überlagert ist. Seine relative Intensität nimmt mit steigender Teilchenenergie rasch ab, da bei hohen Energien das mit der Strahlbewegung verbundene Magnetfeld die reine elektrische Abstoßung teilweise kompensiert. Der Effekt ist besonders problematisch, da er nichtlinear von der Position jedes Teilchens innerhalb der Strahlverteilung abhängt und daher nicht alle Teilchen gleichermaßen beeinflusst: Teilchen im Zentrum erfahren eine andere Defokussierung als Teilchen am Rand. Dies führt zu einer Streuung der betatronischen Wellenzahl der verschiedenen Teilchen im Strahl, anstatt sie auf einem einzigen Wert zu belassen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass zumindest ein Teil des Strahls auf eine der gefährlichen Resonanzen trifft, die bereits mittels Strahloptik identifiziert wurden. Dieser Effekt setzt grundlegende praktische Grenzen für die Strommenge, die in den frühen, energiearmen Phasen jeder Hochenergiemaschine erfolgreich eingespeist und beschleunigt werden kann. Er ist der Hauptgrund dafür, dass die anspruchsvollsten Injektionsketten so viel Entwicklungsaufwand speziell in ihre energieärmsten Phasen investieren, wo dieser Effekt am stärksten ausgeprägt ist. Deshalb zeigt dieses Modul, das mit einer Abstoßung beginnt, die nur bei niedrigen Energien relevant ist, am Ende, wie ebendiese Abstoßung den Entwicklungsaufwand präzise auf das Anfangssegment jeder Injektionskette konzentriert.

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