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Transversale Phasenraum-Tomographie des Elektronenstrahls am S-DALINAC

Kostial, Stephan :
Transversale Phasenraum-Tomographie des Elektronenstrahls am S-DALINAC.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Transversale Phasenraum-Tomographie des Elektronenstrahls am S-DALINAC
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Umsetzung einer tomographischen Diagnosemethode zur Bestimmung der transversalen Phasenraumverteilungen des Elektronenstrahls am S–DALINAC. Die bisher verwendete Methode bestimmt die Strahlparameter aus einer Serie von Strahl?eckaufnahmen unter der Voraussetzung einer zweidimensionalen, gaußförmigen Elektronenverteilung im jeweiligen transversalen Phasenraum. Der Vergleich von gemessenen Strahlparametern und Simulationsrechnungen ließ jedoch vermuten, daß der Injektor mit seiner subharmonischen Injektion zum Betreiben des Freie-Elektronen-Lasers Phasenraumverteilungen erzeugt, die durch die Annahme einer zweidimensionalen Gaußverteilung nur unzureichend beschrieben werden. Eine elementare Voraussetzung für die Anwendung der tomographischen Rekonstruktion war die genaue Messung der Strahlpro?le. Die Aufnahme von Strahl?eckbildern mittels optischer Übergangsstrahlung, die die zweidimensionalen, transversalen Elektronendichteverteilungen widerspiegeln, wurde deshalb durch eine digitale Bildbearbeitung mit Wavelet-Filterung erweitert. Sie ermlöglicht eine Rauschreduktion der Bilder mit 256 Graustufen bis auf eine Genauigkeit von 0.6 Graustufen pro Bildpunkt. Zur tomographischen Rekonstruktion der Phasenraumverteilungen aus horizontalen und vertikalen Strahlpro?len wurde die Ge?lterte Rückprojektion implementiert. In das so entstandene Programmpaket wurde die bisherige Transversaldiagnose integriert. Mit einer graphischen Benutzerober?äche steht das Programm den Operateuren des S–DALINAC nun zum täglichen Einsatz zur Verf¨ugung. In Simulationen wurde die Rekonstruktionsgenauigkeit des Programms unter Berücksichtigung von Fehljustage und Eichungsfehlern der beteiligten Strahlführungselemente und der Genauigkeit der Bildbearbeitung untersucht. Es zeigte sich, daß Emittanzen mit einer Genauigkeit von 15-25%, Strahlradius und Strahldivergenz mit einer Genauigkeit von 10% und das Korrelationselement, das die Lage der Phasenraumverteilung beschreibt, mit einer Genauigkeit von etwa 20% widergegeben werden können. Mit der neuen Methode wurden erste Messungen am Ausgang des Injektorbeschleunigers bei E0 = 9.5 MeV durchgeführt. Aus den rekonstruierten Phasenraumverteilungen wurden Strahlparameter bestimmt und diese mit Ergebnissen von Emittanzmessungen vor dem Injektorbeschleuniger verglichen. Zur Komplettierung der Transversaldiagnose im gesamten Injektor war es nötig, eine magnetische Linse am Austritt des Elektronenstrahls aus der Kanone zu ersetzten. Diese war bisher als Einkammerlinse ausgelegt und verknüpfte als einziges Element der Strahlführung den horizontalen und vertikalen Phasenraum. Durch die Neukonzeption der Linse als Doppelkammerlinse ist hier nun die separate Bestimmung der transversalen Strahlparameter sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung möglich. Auch hier wurden erste Messungen durchgeführt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of this work was the development and the implementation of a diagnostic method for the determination of the transverse phase space distributions of the electron beam at the S-DALINAC. The method used until now determines the beam parameters from a set of beamspot pictures under the assumption of a two-dimensional gaussian electron distribution in the respective transverse phase space. However, comparison of measured beam parameters and simulation calculations led to the supposition that the injector with the subharmonic injection scheme for running the free-electron laser generates phase space distributions, which can not be described by the assumption of a two-dimensional gaussian distribution. An elementary condition for the tomographic reconstruction is the exact measurement of the beam profiles. The shooting of the beam spot pictures using optical transition radiation, which represent the two-dimensional transverse electron distributions, was supplemented by a digital image processing using wavelet filters. This allows noise reduction of the pictures with 256 greyscales with a resolution of 0.6 greyscales per pixel. For the tomographic reconstruction of the phase space distributions from horizontal and vertical beam profiles the Filtered Backprojection was implemented. The former transverse diagnosis was implemented into the newly built program package. With a graphical user interface the program is available for the S-DALINAC operators for daily use. With simulation calculations the reconstructing resolution of the algorithm was analysed considering alignment and adjustment errors of the participating beam transport elements and the accuracy of the image processing. I turned out that the emittances can be determined with an accuracy of 15-25%, the beam radius and the beam divergence with an accuracy of 10% and the correlation, which describes the orientation of the phase space distribution, with an accuracy of about 20%. First measurements were carried out with the new method at the exit of the injector accelerator at E0 = 9.5 MeV. From the reconstructed phase space distributions beam parameters were extracted and compared with the results of emittance measurements taken in front of the injector accelerator. To complete the transverse diagnostics at the injector it was necessary to replace a magnetic lens at the exit of the electron gun. This lens was a single chamber lens and therefore was the only beam transport element mixing the horizontal and the vertical phase space. With the new concept of the lens as an double chamber lens it is now possible to measure the transverse beam parameters separately for the horizontal and for the vertical direction. First measurements were carried out.English
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000190
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1906
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Weiland, Prof. Dr. T.
Advisors: Richter, Prof. Dr. A.
Refereed: 26 November 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/190
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