Electron beam driven ionization can produce highly charged ions (HCIs) in a few well-defined charge states. Ideal conditions for this are maximally focused electron beams and an extremely clean vacuum environment. A cryogenic electron beam ion trap fulfills these prerequisites and delivers very pure HCI beams. The Canadian rare isotope facility with electron beam ion source-electron beam ion sources developed at the Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) reaches already for a 5 keV electron beam and a current of 1 A with a density in excess of 5000 A/cm2 by means of a 6 T axial magnetic field. Within the trap, the beam quickly generates a dense HCI population, tightly confined by a space-charge potential of the order of 1 keV times the ionic charge state. Emitting HCI bunches of ≈107 ions at up to 100 Hz repetition rate, the device will charge-breed rare-isotope beams with the mass-over-charge ratio required for re-acceleration at the Advanced Rare IsotopE Laboratory (ARIEL) facility at TRIUMF. We present here its design and results from commissioning runs at MPIK, including X-ray diagnostics of the electron beam and charge-breeding process, as well as ion injection and HCI-extraction measurements.
REFERENCES
1.
K.
Blaum
, Phys. Rep.
425
, 1
(2006
).2.
Y. A.
Litvinov
and F.
Bosch
, Rep. Prog. Phys.
74
, 016301
(2011
).3.
C.
Carlberg
, H.
Borgenstrand
, G.
Rouleau
, R.
Schuch
, F.
Söderberg
, I.
Bergström
, R.
Jertz
, T.
Schwarz
, J.
Stein
, G.
Bollen
, H.-J.
Kluge
, and R.
Mann
, Phys. Scr.
T59
, 196
(1995
).4.
E.
Beebe
, L.
Liljeby
, Å.
Engström
, and M.
Björkhage
, Phys. Scr.
47
, 470
(1993
).5.
G.
Bollen
, S.
Becker
, H.-J.
Kluge
, M.
König
, R. B.
Moore
, T.
Otto
, H.
Raimbault-Hartmann
, G.
Savard
, L.
Schweikhard
, H.
Stolzenberg
, and Isolde Collaboration
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
368
, 675
(1996
).6.
D.
Habs
, O.
Kester
, T.
Sieber
, H.
Bongers
, S.
Emhofer
, P.
Reiter
, P.
Thirolf
, G.
Bollen
, J.
Aystö
, O.
Forstner
, H.
Ravn
, T.
Nilsson
, M.
Oinonen
, H.
Simon
, J.
Cederkall
, F.
Ames
, P.
Schmidt
, G.
Huber
, L.
Liljeby
, O.
Skeppstedt
, K.
Rensfelt
, F.
Wenander
, B.
Jonson
, G.
Nyman
, R.
von Hahn
, H.
Podlech
, R.
Repnow
, C.
Gund
, D.
Schwalm
, A.
Schempp
, K.-U.
Kühnel
, C.
Welsch
, U.
Ratzinger
, G.
Walter
, A.
Huck
, K.
Kruglov
, M.
Huyse
, P.
Van den Bergh
, P.
Van Duppen
, L.
Weissman
, A.
Shotter
, A.
Ostrowski
, T.
Davinson
, P.
Woods
, J.
Cub
, A.
Richter
, and G.
Schrieder
, Hyperfine Interact.
129
, 43
(2000
).7.
F.
Wenander
, P.
Delahaye
, R.
Scrivens
, R.
Savreux
, and R.-I.
Collaboration
, Rev. Sci. Instrum.
77
, 03B104
(2006
).8.
F.
Wenander
, J. Instrum.
5
, C10004
(2010
).9.
G.
Sikler
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, J.
Dilling
, S.
Epp
, C. J.
Osborne
, and J.
Ullrich
, in 4th International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses, Pint Mt, GA, September 12-16, 2004
[Eur. Phys. J. A
25
, 63
(2005
)].10.
M.
Froese
, C.
Champagne
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, S.
Epp
, G.
Gwinner
, A.
Lapierre
, J.
Pfister
, G.
Sikler
, J.
Ullrich
, and J.
Dilling
, Hyperfine Interact.
173
, 85
(2006
).11.
J.
Dilling
, R.
Baartman
, P.
Bricault
, M.
Brodeur
, L.
Blomeley
, F.
Buchinger
, J.
Crawford
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, M.
Froese
, G. P.
Gwinner
, Z.
Ke
, J. K. P.
Lee
, R. B.
Moore
, V.
Ryjkov
, G.
Sikler
, M.
Smith
, J.
Ullrich
, J.
Vaz
, and TITAN Collaboration
, Int. J. Mass Spectrom.
251
, 198
(2006
).12.
A.
Lapierre
, M.
Brodeur
, T.
Brunner
, S.
Ettenauer
, A. T.
Gallant
, V.
Simon
, M.
Good
, M. W.
Froese
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, S.
Epp
, R.
Ringle
, S.
Schwarz
, J.
Ullrich
, and J.
Dilling
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
624
, 54
(2010
).13.
E. N.
Beebe
, J. G.
Alessi
, D.
Graham
, A.
Kponou
, A.
Pikin
, K.
Prelec
, J.
Ritter
, and V.
Zajic
, J. Phys.: Conf. Ser.
2
, 164
(2004
).14.
J.
Alessi
, E.
Beebe
, D.
Graham
, A.
Kponou
, A.
Pikin
, K.
Prelec
, J.
Ritter
, and V.
Zajic
, “Design of an EBIS for RHIC
,” in PAC 2003: Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 2003, Portland, OR, 12-16 May 2003
(IEEE
, 2003
).15.
A.
Pikin
, J. G.
Alessi
, E. N.
Beebe
, A.
Kponou
, R.
Lambiase
, R.
Lockey
, D.
Raparia
, J.
Ritter
, L.
Snydstrup
, and Y.
Tan
, J. Instrum.
5
, C09003
(2010
).16.
M. A.
Levine
, R. E.
Marrs
, J. R.
Henderson
, D. A.
Knapp
, and M. B.
Schneider
, Phys. Scr.
T22
, 157
(1988
).17.
R. E.
Marrs
, Phys. Rev. Lett.
60
, 1715
(1988
).18.
M. A.
Levine
, R. E.
Marrs
, J. N.
Bardsley
, P.
Beiersdorfer
, C. L.
Bennett
, M. H.
Chen
, T.
Cowan
, D.
Dietrich
, J. R.
Henderson
, D. A.
Knapp
, A.
Osterheld
, B. M.
Penetrante
, M. B.
Schneider
, and J. H.
Scofield
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
43
, 431
(1989
).19.
F.
Currell
and G.
Fussmann
, IEEE Trans. Plasma Sci.
33
, 1763
(2005
).20.
J. D.
Gillaspy
, J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
34
, R93
(2001
).21.
The Physics of Multiply and Highly Charged Ions
, edited by F. J.
Currell
(Springer Netherlands
, Dordrecht
, 2003
).22.
P.
Delahaye
, A.
Galatà
, J.
Angot
, J. F.
Cam
, E.
Traykov
, G.
Ban
, L.
Celona
, J.
Choinski
, P.
Gmaj
, P.
Jardin
, H.
Koivisto
, V.
Kolhinen
, T.
Lamy
, L.
Maunoury
, G.
Patti
, T.
Thuillier
, O.
Tarvainen
, R.
Vondrasek
, and F.
Wenander
, Rev. Sci. Instrum.
87
, 02B510
(2016
).23.
S. R.
Elliott
, P.
Beiersdorfer
, and M. H.
Chen
, Phys. Rev. Lett.
76
, 1031
(1996
).24.
S. R.
Elliott
, P.
Beiersdorfer
, M. H.
Chen
, V.
Decaux
, and D. A.
Knapp
, Phys. Rev. C
57
, 583
(1998
).25.
S. R.
Elliott
and R. E.
Marrs
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
100
, 529
(1995
).26.
P.
Beiersdorfer
, S. R.
Elliott
, J.
Crespo López-Urrutia
, and K.
Widmann
, Nucl. Phys. A
626
, 357
(1997
).27.
F. J. C.
Wenander
, contribution to the CAS-CERN Accelerator School: Ion Sources, Senec, Slovakia, 29 May–8 June 2012
, edited by R.
Bailey
(CERN
, 2014
); e-print arXiv:1404.0945, pp. 351
–380
, CERN-2013-007.28.
B. M.
Penetrante
, J. N.
Bardsley
, D.
DeWitt
, M.
Clark
, and D.
Schneider
, Phys. Rev. A
43
, 4861
(1991
).29.
J. R.
Crespo López-Urrutia
, B.
Bapat
, A.
Dorn
, R.
Moshammer
, C. D.
Schröter
, and J.
Ullrich
, in Trapping Highly Charged Ions: Fundamentals and Applications
, edited by J.
Gillaspy
(Nova Science Publishers, Inc.
, Huntington, NY
, 1999
), p. 103
;J. R.
Crespo López-Urrutia
, B.
Bapat
, B.
Feuerstein
, A.
Werdich
, and J.
Ullrich
, Hyperfine Interact.
127
, 497
(2000
).30.
J. R.
Crespo López-Urrutia
, J.
Braun
, G.
Brenner
, H.
Bruhns
, A.
Lapierre
, A. J.
González Martínez
, V.
Mironov
, R.
Soria Orts
, H.
Tawara
, M.
Trinczek
, and J.
Ullrich
, Rev. Sci. Instrum.
75
, 1560
(2004
).31.
S. W.
Epp
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, G.
Brenner
, V.
Mäckel
, P. H.
Mokler
, R.
Treusch
, M.
Kuhlmann
, M. V.
Yurkov
, J.
Feldhaus
, J. R.
Schneider
, M.
Wellhöfer
, M.
Martins
, W.
Wurth
, and J.
Ullrich
, Phys. Rev. Lett.
98
, 183001
(2007
).32.
T. M.
Baumann
, Z.
Harman
, J.
Stark
, C.
Beilmann
, G.
Liang
, P. H.
Mokler
, J.
Ullrich
, and J. R.
Crespo López-Urrutia
, Phys. Rev. A
90
, 052704
(2014
).33.
S.
Schwarz
, G.
Bollen
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, J.
Dilling
, M.
Johnson
, O.
Kester
, M.
Kostin
, F.
Marti
, C.
Wilson
, and P.
Zavodszky
, in 15th International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Techniques Related to their Applications, Deauville, France, June 24-29, 2007
[Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
266
, 4466
(2008
)].34.
S.
Schwarz
, G.
Bollen
, O.
Kester
, K.
Kittimanapun
, A.
Lapierre
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, J.
Dilling
, F.
Ames
, L. E.
Ahle
, P.
Beiersdorfer
, R. E.
Marrs
, J. R.
Beene
, A. J.
Mendez
, D. W.
Stracener
, M.
Lindroos
, and F.
Wenander
, in International Symposium on Electron Beam Ion Sources and Traps, Stockholm, Sweden, April 7-10, 2010
[J. Instrum.
5
, C10002
(2010
)].35.
S.
Schwarz
, G.
Bollen
, M.
Johnson
, O.
Kester
, M.
Kostin
, J.
Ottarson
, M.
Portillo
, C.
Wilson
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and J.
Dilling
, in 13th International Conference on Ion Sources (ICIS’09), Gatlinburg, TN, September 20-25, 2009
[Rev. Sci. Instrum.
81
, 02A503
(2010
)].36.
S.
Schwarz
, G.
Bollen
, M.
Doleans
, O.
Kester
, K.
Kittimanapun
, M.
Kostin
, A.
Lapierre
, M.
Portillo
, C.
Wilson
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and J.
Dilling
, in 5th International Conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics (TCP), Saariselka, Finland, April 12-16, 2010
[Hyperfine Interact.
199
, 261
(2011
)].37.
A.
Shornikov
, E. N.
Beebe
, R. C.
Mertzig
, A.
Pikin
, and F. J. C.
Wenander
, AIP Conf. Proc.
1640
, 19
(2015
).38.
T. M.
Baumann
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, S.
Schwarz
, A.
Lapierre
, G.
Bollen
, O.
Kester
, J.
Dilling
, and J.
Ullrich
, in XXVII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC 2011), PTS 1-15
[J. Phys.: Conf. Ser.
388
, 062025
(2012
)].39.
M. C.
Simon
, J. C.
Bale
, U.
Chowdhury
, B.
Eberhardt
, S.
Ettenauer
, A. T.
Gallant
, F.
Jang
, A.
Lennarz
, M.
Luichtl
, T.
Ma
, D.
Robertson
, V. V.
Simon
, C.
Andreoiu
, M.
Brodeur
, T.
Brunner
, A.
Chaudhuri
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, D.
Frekers
, A.
Grossheim
, G.
Gwinner
, A. A.
Kwiatkowski
, A.
Lapierre
, E.
Mane
, M. R.
Pearson
, R.
Ringle
, B. E.
Schultz
, and J.
Dilling
, Rev. Sci. Instrum.
83
, 02A912
(2012
).40.
M. C.
Simon
, T. D.
Macdonald
, J. C.
Bale
, U.
Chowdhury
, B.
Eberhardt
, M.
Eibach
, A. T.
Gallant
, F.
Jang
, A.
Lennarz
, M.
Luichtl
, T.
Ma
, D.
Robertson
, V. V.
Simon
, C.
Andreoiu
, M.
Brodeur
, T.
Brunner
, A.
Chaudhuri
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, S.
Ettenauer
, D.
Frekers
, A.
Grossheim
, G.
Gwinner
, A. A.
Kwiatkowski
, A.
Lapierre
, E.
Mane
, M. R.
Pearson
, R.
Ringle
, B. E.
Schultz
, and J.
Dilling
, Phys. Scr.
T156
, 014098
(2013
).41.
R.
Klawitter
, M.
Alanssari
, U.
Chowdhury
, A.
Chaudhuri
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, S.
Ettenauer
, A. T.
Gallant
, A.
Grossheim
, G.
Gwinner
, A. A.
Kwiatkowski
, K.
Leach
, A.
Lennarz
, T. D.
MacDonald
, M. C.
Simon
, B. E.
Schultz
, S.
Seeraji
, C.
Andreoiu
, D.
Frekers
, and J.
Dilling
, AIP Conf. Proc.
1640
, 112
(2015
).42.
A.
Lennarz
, A.
Grossheim
, K. G.
Leach
, M.
Alanssari
, T.
Brunner
, A.
Chaudhuri
, U.
Chowdhury
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, A. T.
Gallant
, M.
Holl
, A. A.
Kwiatkowski
, J.
Lassen
, T. D.
Macdonald
, B. E.
Schultz
, S.
Seeraji
, M. C.
Simon
, C.
Andreoiu
, J.
Dilling
, and D.
Frekers
, Phys. Rev. Lett.
113
, 082502
(2014
).43.
D.
Frekers
, M. C.
Simon
, C.
Andreoiu
, J. C.
Bale
, M.
Brodeur
, T.
Brunner
, A.
Chaudhuri
, U.
Chowdhury
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, H.
Ejiri
, S.
Ettenauer
, A. T.
Gallant
, V.
Gavrin
, A.
Grossheim
, M. N.
Harakeh
, F.
Jang
, A. A.
Kwiatkowski
, J.
Lassen
, A.
Lennarz
, M.
Luichtl
, T.
Ma
, T. D.
Macdonald
, E.
Mane
, D.
Robertson
, B. E.
Schultz
, V. V.
Simon
, A.
Teigelhoefer
, and J.
Dilling
, Phys. Lett. B
722
, 233
(2013
).44.
S.
Ettenauer
, M. C.
Simon
, A. T.
Gallant
, T.
Brunner
, U.
Chowdhury
, V. V.
Simon
, M.
Brodeur
, A.
Chaudhuri
, E.
Mane
, C.
Andreoiu
, G.
Audi
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, G.
Gwinner
, A.
Lapierre
, D.
Lunney
, M. R.
Pearson
, R.
Ringle
, J.
Ullrich
, and J.
Dilling
, Phys. Rev. Lett.
107
, 272501
(2011
).45.
S.
Malbrunot-Ettenauer
, T.
Brunner
, U.
Chowdhury
, A. T.
Gallant
, V. V.
Simon
, M.
Brodeur
, A.
Chaudhuri
, E.
Mane
, M. C.
Simon
, C.
Andreoiu
, G.
Audi
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, P.
Delheij
, G.
Gwinner
, A.
Lapierre
, D.
Lunney
, M. R.
Pearson
, R.
Ringle
, J.
Ullrich
, and J.
Dilling
, Phys. Rev. C
91
, 045504
(2015
).46.
L.
Merminga
, F.
Ames
, R. A.
Baartman
, C. D.
Beard
, P. G.
Bricault
, I.
Bylinskii
, Y.-C.
Chao
, R.
Dawson
, D.
Kaltchev
, S.
Koscielniak
, R.
Laxdal
, F.
Mammarella
, M.
Marchetto
, G.
Minor
, A.
Mitra
, Y.-N.
Rao
, M.
Trinczek
, A.
Trudel
, V.
Verzilov
, and V.
Zvyagintsev
, in International Particle Accelerator Conference 2011, Proceedings of IPAC2011, San Sebastián, Spain
(IPAC
, 2011
), pp. 1917
–1919
.47.
B.
Barquest
, J.
Bale
, J.
Dilling
, G.
Gwinner
, R.
Kanungo
, R.
Krücken
, and M.
Pearson
, in Proceedings of the XVIIth International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Related Topics (EMIS2015), Grand Rapids, MI, USA, 11-15 May 2015
[Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
376
, 207
(2016
)].48.
T. M.
Baumann
, A.
Lapierre
, S.
Schwarz
, K.
Kittimanapun
, and G.
Bollen
, AIP Conf. Proc.
80
, 1640
(2015
).49.
S.
Saminathan
, Technical Report, Design Note TRI-DN-15–09, Dipole Magnet Requirements for the Nier-spectrometer, 2015
.50.
G.
Herrmann
, J. Appl. Phys.
29
, 127
(1958
).51.
J. R.
Pierce
, J. Appl. Phys.
11
, 548
(1940
).52.
P.
Mandal
, G.
Sikler
, and M.
Mukherjee
, J. Instrum.
6
, P02004
(2011
).53.
See http://www.fieldp.com/beams.html for TRAK Charged Particle Toolkit, Field Precision, Inc., P.O. Box 13595, Albuquerque, NM 87192, USA.
54.
See http://www.comsol.com for COMSOL Multiphysics Reference Manual, version 5.3, COMSOL, Inc.
55.
M.
Bitter
, M. F.
Gu
, L. A.
Vainshtein
, P.
Beiersdorfer
, G.
Bertschinger
, O.
Marchuk
, R.
Bell
, B.
LeBlanc
, K. W.
Hill
, D.
Johnson
, and L.
Roquemore
, Phys. Rev. Lett.
91
, 265001
(2003
).56.
J. P.
Briand
, P.
Charles
, J.
Arianer
, H.
Laurent
, C.
Goldstein
, J.
Dubau
, M.
Loulergue
, and F.
Bely-Dubau
, Phys. Rev. Lett.
52
, 617
(1984
).57.
P.
Beiersdorfer
, T. W.
Phillips
, K. L.
Wong
, R. E.
Marrs
, and D. A.
Vogel
, Phys. Rev. A
46
, 3812
(1992
).58.
A. J.
Smith
, P.
Beiersdorfer
, V.
Decaux
, K.
Widmann
, K. J.
Reed
, and M. H.
Chen
, Phys. Rev. A
54
, 462
(1996
).59.
A. S.
Shlyaptseva
, R. C.
Mancini
, P.
Neill
, P.
Beiersdorfer
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and K.
Widmann
, Phys. Rev. A
57
, 888
(1998
).60.
A. J.
Smith
, P.
Beiersdorfer
, K.
Widmann
, M. H.
Chen
, and J. H.
Scofield
, Phys. Rev. A
62
, 052717
(2000
).61.
C.
Biedermann
, R.
Radtke
, and K. B.
Fournier
, Phys. Rev. E
66
, 066404
(2002
).62.
C.
Shah
, P.
Amaro
, R.
Steinbrügge
, C.
Beilmann
, S.
Bernitt
, S.
Fritzsche
, A.
Surzhykov
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and S.
Tashenov
, Phys. Rev. E
93
, 061201
(2016
).63.
C.
Beilmann
, Z.
Harman
, P. H.
Mokler
, S.
Bernitt
, C. H.
Keitel
, J.
Ullrich
, and J. R.
Crespo López-Urrutia
, Phys. Rev. A
88
, 062706
(2013
).64.
C.
Beilmann
, P. H.
Mokler
, S.
Bernitt
, C. H.
Keitel
, J.
Ullrich
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and Z.
Harman
, Phys. Rev. Lett.
107
, 143201
(2011
).65.
B. E.
O’Rourke
, H.
Kuramoto
, Y. M.
Li
, S.
Ohtani
, X. M.
Tong
, H.
Watanabe
, and F. J.
Currell
, J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
37
, 2343
(2004
).66.
M. C.
Simon
, M.
Schwarz
, B. L.
Schmitt
, C.
Beilmann
, S. W.
Epp
, T. M.
Baumann
, K.
Kubiček
, R.
Ginzel
, S. G.
Higgins
, R.
Klawitter
, V.
Mäckel
, S.
Bernitt
, P. H.
Mokler
, J.
Ullrich
, and J. R.
Crespo Löpez-Urrutia
, J. Phys.: Conf. Ser.
194
, 012009
(2009
).67.
M. C.
Simon
, M.
Schwarz
, S. W.
Epp
, C.
Beilmann
, B. L.
Schmitt
, Z.
Harman
, T. M.
Baumann
, P. H.
Mokler
, S.
Bernitt
, R.
Ginzel
, S. G.
Higgins
, C. H.
Keitel
, R.
Klawitter
, K.
Kubiček
, V.
Mäckel
, J.
Ullrich
, and J. R.
Crespo López-Urrutia
, J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
43
, 065003
(2010
).68.
M. C.
Simon
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, C.
Beilmann
, M.
Schwarz
, Z.
Harman
, S. W.
Epp
, B. L.
Schmitt
, T. M.
Baumann
, E.
Behar
, S.
Bernitt
, R.
Follath
, R.
Ginzel
, C. H.
Keitel
, R.
Klawitter
, K.
Kubiček
, V.
Mäckel
, P. H.
Mokler
, G.
Reichardt
, O.
Schwarzkopf
, and J.
Ullrich
, Phys. Rev. Lett.
105
, 183001
(2010
).69.
M.
Trinczek
, A.
Werdich
, V.
Mironov
, P.
Guo
, A. J.
González Martínez
, J.
Braun
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and J.
Ullrich
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
251
, 289
(2006
).70.
V.
Mironov
, M.
Trinczek
, A.
Werdich
, A. J.
González Martínez
, P.
Guo
, X.
Zhang
, J.
Braun
, J. R.
Crespo López-Urrutia
, and J.
Ullrich
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
205
, 183
(2003
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
