Search

Im Jahre 1958, schlug Kenneth W. Robinson die Nutzung eines Korrektormagneten vor um den entdämpften radialen Betatronoszillationen im Cambridge electron accelerator entgegen zu wirken. Dieser Korrektormagnet sollte aus kurzen, alternierenden Dipolen mit einem starken Gradienten bestehen, sodass die Verluste durch Synchrotronstrahlung mit zunehmendem Trajektorienradius abnehmen. Diese Transversal-Gradienten-Wiggler werden auch "Robinson Wiggler" (RW) genannt. Die Metrology Light Source (MLS), welche Eigentum der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist und vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entworfen und betrieben wird, ist ein Elektronen-Synchrotron, optimiert für die Produktion von Synchrotronstrahlung im Spektralbereich zwischen THz und EUV. Da die MLS eine gerampte Maschine ist, nimmt der gespeicherte Elektronenstrom mit der Zeit ab und die Strahllebensdauer ist von Bedeutung für die Nutzer der Synchrotronstrahlung. Es wird vorgeschlagen einen RW bei der MLS zu installieren um die Strahllebensdauer zu erhöhen. Mit RW wäre es möglich, Dämpfung aus der longitudinalen in die horizontale Ebene zu verschieben sodass sich die Energiebreite um einen Faktor 3 erhöht und die Emittanz sich um ungefähr einen Faktor 2 reduziert. Die Länge der Elektronenpakete wird dadurch stärker verlängert als die mittlere horizontale Paketbreite reduziert wird. So nimmt die Elektronendichte im Paket ab und die Verlustrate sinkt. Dies hat zu Folge dass sich die Lebensdauer verbessert und die Aktivierung von Komponenten reduziert wird. Mit erhöhter Energiebreite und verringerter Emittanz, wird der Beitrag der Dispersion zur horizontalen Quellgröße stärker. Durch geeignete Wahl der Magnetoptik kann die Brillianz am Quellpunkt erhöht werden bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebensdauer. Simulationen zeigen dass die Lebensdauer an der MLS durch die Installation eines solchen RW um einen Faktor 2.3 ansteigt, was einem Zugewinn an integriertem Photonenfluss von 30 % entspricht. In 1958, Kenneth W. Robinson proposed the usage of a magnetic correction device to reduce the antidamping of radial betatron oscillations in the Cambridge electron accelerator. The essence of this correction device are short, alternating dipoles with a strong gradient, such that the radiation loss decreases with increasing radius of trajectory. These transverse gradient wigglers are also called "Robinson Wigglers" (RW). The Metrology Light Source (MLS), owned by the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and designed and operated by Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), is an electron synchrotron, optimized for the production of synchrotron radiation in the THz to the EUV spectral region. Being a ramped machine, Top-Up operation is not possible. With a decaying beam current, the lifetime of the stored beam is of importance for the user community, for reasons of temporal stability and integrated photon flux. It is proposed to install a RW at the MLS in order to improve the beam lifetime. With a RW, it is possible to transfer damping from the longitundinal to the horizontal plane in a way, that the energy spread increases by a factor of 3 and the emittance reduces by a factor of 2. Doing so, the bunch length is increased by a larger fraction than the average bunch width is decreased. Thereby the electron density is reduced which results in a lower loss rate of electrons. This improves the beam lifetime and reduces induced radioactivity of accelerator components and shielding. With an increased energy spread and a reduced emittance, the contribution of the dispersion to source size becomes more important. By carefully choosing the magnet optics, the brilliance at the source point can be improved simultaneously to increasing the lifetime. Simulations indicate that a RW is able to increase the lifetime in the standard user operation mode at the MLS by a factor of 2.3, corresponding to an increase in photon flux for one standard user run of approximately 30 %.

Im Rahmen eines grossangelegten Modernisierungsprogramms des CERN Beschleunigerkomplexes zur Steigerung der Intensität der Protonenstrahlen wird in einer ersten Phase der Protonenbeschleuniger Linac2 durch einen H− Ionen Beschleuniger Linac4 ersetzt. Um den Ionenstrahl an die einzelnen Beschleunigerelemente des Linac4 anzupassen sind drei Strahltransportsektionen notwendig. Diese sind aufgrund ihrer strahldynamischen Eigenschaften sensitive Stellen für ungewolltes Emittanzwachstum und Teilchenverluste und sind im Schwerpunkt dieser Thesis. Die erste Strahltransportsektion, „Low Energy Beam Transport”(LEBT), befindet sich zwischen der Teilchenquelle und dem ersten Beschleunigerelement, den Radiofrequency Quadrupole (RFQ). Im Rahmen dieser Thesis wurde das LEBT in Betrieb genommen, dessen Strahldynamik rekonstruiert und die Leistungslimitierungen experimentell bestimmt. Der zweite Teil der Thesis ist auf die Auslegung und Strahldynamik der Transfer Linie zwischen Linac4 und dem Proton Synchrotron Booster(PS-Booster) konzentriert. Die Strahldynamik der Transferlinie wurde optimiert und teilweise komplett überarbeitet. Die neue Transferlinie zeichnet sich durch eine verbesserte Emittanzerhaltung, höhere Stabilität der Strahldynamik gegenüber Aufstellungsfehlern und Feldjittern der Magnete und durch eine optimale Anpassung der Strahlparameter an die verschiedenen Injektionsschemata des PS-Boosters aus. Für eine abschließenden „Start-To-End” Simulationen wurden die Strahlcharakteristiken, die bei der Inbetriebnahme des LEBTs bestimmt worden sind, als Anfangsbedingungen für die strahldynamische Simulation von Linac4 einschließlich Transferlinie genutzt. Mit Hilfe dieser „Start-To-End” Simulationen werden kritische Positionen der Strahldynamik identifiziert, die durch Teilchenverluste oder Emittanzwachstum gekennzeichnet sind. Eine besonders kritische Sektion stellt das „Medium Energy Beam Transport” da, dessen Optik auf die neuen Strahlparameter angepasst werden musste., In the first phase of the upgrade program of the CERN accelerator complex the proton injector Linac2 will be replaced by a new, normal-conducting H− ion Linac, Linac4, allowing a significant increase of the proton flux intensity along the downstream accelerator complex. In the design of Linac4 three beam transport sections are implemented to match the beam between the different accelerator elements and to model the longitudinal pulse structure. These three beam transport sections, which are the most critical locations in terms of beam quality preservation, are in the focus of this thesis. During the work of this thesis the Low Energy Beam Transport (LEBT), which is required to match the source beam to the radiofrequency quadrupole (RFQ), has been commissioned and its beam dynamics re-constructed. The measurement campaign used to reconstruct the LEBT beam dynamics was performed with the aim to prepare the RFQ commissioning and to maximise the LEBT performance. Downstream of the Linac4 accelerator the beam is transported along a 180m long transfer line to the Proton Synchrotron Booster (PS-Booster). The transfer line optics was studied, optimised and sections were completely re-designed. The new transfer line optics is characterised by an improved preservation of the beam emittance, higher stability of the optical solution with respect to alignment errors and field jitters of the transfer line magnets and it is matched to each of the PS-Booster injection schemes. In a concluding ”Start-To-End” simulation based on the measured beam characteristics at the LEBT exit the beam dynamics of the downstream Linac, including the transfer line, was calculated. To minimise particle losses within acceptable emittance preservation the beam optics of the Medium Energy Beam Transport (MEBT) was adapted to the measured beam parameters. This ”Start-To-End” simulation was performed to identify critical sections of the Linac4 beam dynamics and to adjust the commissioning strategies.