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Strahldynamik und -diagnose am Energie-rückgewinnenden S-DALINAC

Pforr, Jonas (2020):
Strahldynamik und -diagnose am Energie-rückgewinnenden S-DALINAC.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011900,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Strahldynamik und -diagnose am Energie-rückgewinnenden S-DALINAC
Language: German
Abstract:

This dissertation covers beam dynamics and beam diagnostics, which are two essential parts of accelerator development at the S-DALINAC. In the scope of this work simulations of beam dynamics were conducted, a system for emittance measurements was set up and used and several other measurements were performed and analysed. This firstly includes beam dynamics simulations of the injector and of the recirculating main accelerator, which were used to investigate possible sources of error for an emittance growth. Furthermore, a simulation for the realisation of the once-recirculating ERL-mode (Energy Recovery Linac) was prepared. An improved analysis of the beam transport shall also be reached by the newly installed emittance measurement setups. By enabling an emittance determination at different positions along the beamline, changes of this central parameter can be monitored. On the one hand, this extends the operator’s options of tuning the beam, as now the emittance can be optimized. On the other hand, regular measurements improve the reproducibility of accelerator settings. For beam dynamics simulations emittance measurements are useful as well, as they can both serve the verification of calculations and provide data for starting conditions for further simulations. By using the new emittance measurement setups, a variety of measurements were conducted in the course of this work. In this process, first of all a comparison of the established screens with the newly installed transition radiation targets was conducted. Furthermore, behind the injector of the S-DALINAC a dependence of the emittance on the beam current was observed. The setups in the recirculations were commissioned and used for emittance measurements as well. Additionally, a measurement of transverse and longitudinal dispersion in thrice-recirculating operation was conducted and analysed. Unexpected non-linear contributions to the dispersion could be observed there. By using a beam dynamics simulation they can be explained at least qualitatively. The resulting understanding was also used to further develop the beam tuning procedures. Finally, the investigation of the beam break-up (BBU) threshold current shall be mentioned. An experimental search for the threshold current was conducted both before and after the installation of the third recirculation of the S-DALINAC. In the once-recirculating operation mode, we managed to increase the injected beam current to 20 µA, which is the maximum allowed value within the limits of the operation license, and to recirculate this almost loss-free without observing BBU.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Dissertation umfasst mit Strahldynamik und Strahldiagnose zwei wesentliche Teilbereiche der Beschleunigerentwicklung am S-DALINAC. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Simulationen der Strahldynamik durchgeführt, ein System für Messungen der Emittanz aufgebaut und eingesetzt sowie einige weitere Messungen vorgenommen und analysiert. Daher beinhaltet diese Arbeit zunächst Strahldynamiksimulationen des Injektors sowie des rezirkulierenden Hauptbeschleunigers, bei denen auch mögliche Fehlerquellen auf ein mögliches Emittanzwachstum untersucht wurden. Außerdem wurde eine Simulation zur Realisierung des einfachen ERL-Modus (Energy Recovery Linac) angefertigt. Eine verbesserte Analyse des Strahltransports soll auch durch die neu installierten Emittanz-Messplätze bereitgestellt werden. Indem nun an verschiedenen Positionen entlang der Strahlführung die Emittanz bestimmt werden kann, können Veränderungen dieses zentralen Parameters festgestellt werden. Dies erweitert einerseits die Möglichkeiten des Operateurs, den Strahl einzustellen, da nun die Emittanz optimiert werden kann. Andererseits erhöhen regelmäßige Messungen die Reproduzierbarkeit der Beschleunigereinstellungen. Auch für Strahldynamiksimulationen sind Emittanzmessungen hilfreich, da sie entweder zur Verifikation von Rechnungen dienen können oder aber Daten zu Startbedingungen für weitere Simulationen bereitstellen. Mithilfe der neuen Aufbauten zur Emittanzmessung wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits eine Vielzahl von Messungen durchgeführt. Dabei ist zunächst ein Vergleich der etablierten Leuchtschirme mit den neu installierten Übergangsstrahlungs-Targets angestellt worden. Weiterhin konnte hinter dem Injektorbeschleuniger des S-DALINAC eine Abhängigkeit der Emittanz vom Strahlstrom beobachtet werden. Auch die Aufbauten in den Rezirkulationen wurden bereits in Betrieb genommen und für Emittanzmessungen genutzt. Darüber hinaus wurde auch eine Messung der transversalen und longitudinalen Dispersion im dreifach rezirkulierenden Betrieb durchgeführt und analysiert. Dabei konnten unerwartete nichtlineare Beiträge zur Dispersion beobachtet werden. Mithilfe einer Strahldynamiksimulation können diese zumindest qualitativ erklärt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden auch für die Weiterentwicklung der Prozeduren zum Einstellen des Strahls genutzt. Zuletzt soll noch die Untersuchung des durch Beam Break-Up (BBU) gegebenen Grenzstroms genannt werden. Vor und nach dem Einbau der dritten Rezirkulation des S-DALINAC wurde der Grenzstrom experimentell gesucht. Dabei gelang es im einfach rezirkulierenden Betrieb, den injizierten Strahlstrom auf den im Rahmen der Betriebserlaubnis maximal zulässigen Wert von 20 µA zu erhöhen und diesen fast verlustfrei zu rezirkulieren, ohne BBU zu beobachten.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstruktur und S-DALINAC
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 14 Aug 2020 09:49
Last Modified: 14 Aug 2020 13:56
DOI: 10.25534/tuprints-00011900
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-119002
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Hug, Jun.-Prof. Florian
Refereed: 22 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11900
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