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Modeling and Optimization of Barrier-Bucket RF Systems

Schweickhardt, Jens (2021):
Modeling and Optimization of Barrier-Bucket RF Systems. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017582,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Modeling and Optimization of Barrier-Bucket RF Systems
Language: English
Abstract:

Particle accelerators are machines designed to accelerate charged particles to high energies using electromagnetic fields. Besides a variety of industrial and medical applications, they are indispensable tools in multiple fields of basic research, as experiments using accelerated particles allow to investigate fundamental physical interactions. In order to achieve certain beam parameters, such as energy, intensity and temperature, necessary to reach uncharted research areas, a complex interplay between different accelerators and storage rings is necessary. In some cases, this interplay requires the ability to flexibly control the length of the accelerated particle beams. For some experiments planned at GSI (Helmholtz center for heavy ion research) and the future accelerator complex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), both located in Darmstadt, Germany, barrier-bucket radio frequency systems are required, as they make it possible to almost freely control the longitudinal distribution of charged particle beams by generating pulsed electric fields. Due to the high complexity of barrier-bucket systems combined with the high demands on the quality of the output pulses, the system design as well as the input signal computation still pose large challenges. For the barrier-bucket system recently installed inside the ESR (Experimental Storage Ring) at GSI, different strategies to tackle these challenges have been developed during the work on this thesis.

It is shown that the frequency bandwidth of barrier-bucket systems is - as expected - a crucial factor for the accessible output signal quality. Since the behaviour in the demanded frequency range is determined by the properties of different system components and their intricate mutual coupling, simulation tools are necessary for a reliable design process, especially for the design of the cavity. Therefore, an equivalent-circuit model is explored for the barrier-bucket cavity, enabling the adaption of different cavity components during the design process. The model allows to accurately simulate the future cavity characteristics and to investigate the coupling between cavity and power amplifier stage.

Even for systems with sufficiently high frequency bandwidth, frequency-dependent properties of different system components as well as saturation effects in the power amplifier lead to high output signal distortion, resulting in undesired impact on the particle beam. In order to counteract these distortions, different strategies are investigated to compute the required input signal for the desired output pulses, based on different black-box models and dedicated identification processes. Additionally, different technical concepts of generating the computed input signals and controlling amplitude and timing as required for the planned experiments are analyzed.

Lastly, the results of a machine experiment performed to demonstrate the functionality of the developed ESR barrier-bucket system are presented. During the experiment, a particle beam of 56Fe25+ ions was successfully captured between two barrier pulses and compressed and de-compressed afterwards. The analysis of the RF output signals shows that the output signal quality is maintained during the RF manipulations and that both, amplitude and phase jitter are sufficiently small to have negligible impact on the beam quality.

Even though the computations and models in this thesis were focused on the ESR barrier-bucket system in the first instance, they are widely applicable to other barrier-bucket systems. Specifically, they are also well suited to improve the output signal quality of existing barrier-bucket systems and to support the development of future barrier-bucket systems such as the SIS100 barrier-bucket system currently under development for FAIR.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Teilchenbeschleuniger sind technische Anlagen, die in der Lage sind, geladene Teilchen mithilfe elektromagnetischer Felder auf hohe Energien zu beschleunigen. Neben einer Vielzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen spielen sie eine bedeutende Rolle in der Grundlagenforschung, da mit ihrer Hilfe grundlegende Gesetzmäßigkeiten der Natur erforscht werden können. Um die dazu benötigten Strahlparameter, wie Energie, Intensität und Strahltemperatur, zu erreichen, ist ein teilweise komplexes Zusammenspiel unterschiedlicher Beschleuniger und Speicherringe nötig. Bisweilen ist es erforderlich, dass die Länge des Teilchenstrahls flexibel variiert werden kann. Für einige Experimente, die an der GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) und an dem zukünftigen Beschleunigerkomplex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt geplant sind, werden Barrier-Bucket- Hochfrequenzsysteme benötigt, da sie es ermöglichen, die longitudinale Teilchenverteilung innerhalb eines Strahls durch gepulste elektrische Felder beinahe uneingeschränkt zu variieren. Aufgrund der hohen Komplexität solcher Barrier-Bucket-Systeme und der hohen Anforderungen an die Signalqualität der erzeugten Pulse, stellen die Systementwicklung und die Berechnung des benötigten Eingangssignals allerdings hohe Herausforderungen dar. Für das Barrier-Bucket-System, das vor Kurzem im ESR (ExperimentierSpeicherRing) der GSI installiert wurde, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Strategien entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

Es wird gezeigt, dass die verfügbare Bandbreite eines Barrier-Bucket-Systems erwartungsgemäß entscheidend für die erreichbare Signalqualität der Ausgangspulse ist. Da das Systemverhalten im benötigten Frequenzband durch die Eigenschaften verschiedener Komponenten des Gesamtsystems und deren Wechselwirkungen beeinflusst wird, sind Simulationen unabdingbar, um eine zuverlässige Entwicklung des Systems, speziell der Kavität, sicherzustellen. Dazu wird ein Ersatzschaltbild für die Barrier-Bucket-Kavität entwickelt, mit dem es einfach möglich ist, unterschiedliche Komponenten der Kavität im Modell während des Entwicklungsprozesses leicht anzupassen. Das Modell ermöglicht es, das Verhalten der zukünftigen Kavität präzise vorauszusagen und darüber hinaus die spätere Kopplung mit der Verstärkerstufe zu simulieren.

Auch bei Barrier-Bucket-Systemen, die über eine ausreichende Bandbreite verfügen, führen Frequenzabhängigkeiten unterschiedlicher Systemkomponenten sowie Sättigungseffekte in der Verstärkerstufe zu starken Signalverzerrungen, die unerwünschte Auswirkungen auf den Teilchenstrahl haben. Um dem entgegenzuwirken, werden unterschiedliche Strategien vorgestellt, die es ermöglichen, das benötigte Eingangssignal zu berechnen, um das gewünschte Ausgangssignal zu erreichen. Dazu werden verschiedene Blackbox-Modelle mit unterschiedlichen Identifikationsmethoden für die benötigten Modellparameter verwendet. Zusätzlich werden verschiedene technische Konzepte analysiert, um das berechnete Eingangssignal zu generieren und dabei die Amplitude und das Timing des Signals in dem für die geplanten Experimente benötigten Rahmen zu steuern.

Zum Abschluss werden Ergebnisse eines Maschinenexperiments vorgestellt, das durchgeführt wurde, um die Funktionsfähigkeit des ESR-Barrier-Bucket-Systems zu demonstrieren. Während des Experiments wurde ein Strahl aus 56Fe25+-Ionen erfolgreich zwischen zwei Feldbarrieren eingefangen und anschließend komprimiert und wieder dekomprimiert. Eine Analyse der Ausgangssignale zeigt, dass die Signalqualität während der HF-Manipulationen erhalten bleibt und dass sowohl Amplituden- als auch Phasenjitter so klein sind, dass sie den Teilchenstrahl nicht unzulässig beeinflussen.

Auch, wenn sich die hier entwickelten Berechnungen und Modelle in erster Linie auf das ESRBarrier-Bucket-System konzentrieren, sind sie auch auf andere Barrier-Bucket-Systeme anwendbar. Insbesondere sind sie geeignet, um die Signalqualität der Ausgangssignale bereits existierender Systeme zu verbessern und die Entwicklung zukünftiger Barrier-Bucket-Systeme, wie dem SIS100-Barrier-Bucket-System, das derzeit für FAIR entwickelt wird, zu unterstützen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: III, vi, 159 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Technology
TU-Projects: DESY|05P15RDRBA|Optimierung der Stra
Date Deposited: 25 Mar 2021 12:38
Last Modified: 25 Mar 2021 12:39
DOI: 10.26083/tuprints-00017582
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175828
Referees: Klingbeil, Prof. Dr. Harald and Jakoby, Prof. Dr. Rolf
Refereed: 5 February 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17582
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