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Feasibility Study on Longitudinal Phase-Space Measurements at GSI UNILAC using Charged-Particle Detectors

Milosic, Timo :
Feasibility Study on Longitudinal Phase-Space Measurements at GSI UNILAC using Charged-Particle Detectors.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Feasibility Study on Longitudinal Phase-Space Measurements at GSI UNILAC using Charged-Particle Detectors
Language: English
Abstract:

Accelerator facilities require access to many beam parameters during operation. The field of beam instrumentation serves this crucial role in commissioning, setup and optimisation of the facility. An important information is contained in the phase-space distribution of the accelerated particles. In case of GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) those are ions from protons to uranium. If established methods to access certain beam parameters do not exist, new approaches have to emerge. This is the case for the presented measurement setup which has been designed and realised by Forck et al. to support commissioning of the GSI high-current injector. It is aiming at an experimental method to access the longitudinal phase-space distribution at low energies of 1.4 AMeV. Established methods for higher energies and based on the measurement of the electric field distribution are not feasible at non-relativistic velocities. The presented method is based on a time-of-flight (TOF) measurement between two particle detectors. A modification allows, alternatively, the direct measurement of the kinetic energy using a mono-crystalline (MC) diamond detector. Currently, besides others, the focus of the optimisation of the injector is put on the longitudinal phase-space distribution. It allows for a systematic optimisation of the matching into the accelerator cavities and, thus, an improved transmission as well as lower emittance values. The new accelerator facility FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), a large-scale upgrade at GSI, requires an improved beam quality at the existing injector. In this work the experimental setup is investigated for its feasibility to measure the longitudinal phase-space distribution. To this end, the phase and momentum of the single ions along the beam axis have to be determined with high precision. Finally, the longitudinal phase-space distribution is identified with the measured ensemble. The setup is presented in detail, introducing necessary concepts such as the phase space and emittance and is followed by a discussion of the data acquisition and data analysis. An important part of the latter is the introduction of a robust estimator for the covariance matrix of the measured distribution which is directly connected to the RMS emittance. However, the classical estimator is very sensitive to outliers in the measured data. The usual approach of subjective selection of cut regions is thereby avoided. The TOF setup has been tested with low and high current beams where a general sensitivity to the longitudinal phase-space distribution was confirmed. Furthermore, the gas pressure at the stripper section and the setup of the high-current slits, required for beam attenuation, have an impact on the measured distributions. Scattering of ions at the slits leads to a larger energy spread, larger bunch length and, consequently, emittance. Independent of the configuration, deviations from the expected values of the energy spread ∆E/⟨E⟩ ≈ 1 % and the Twiss parameter α ≈ 4 have been measured. The energy spreads were larger than the theory values by a factor of 1.5-1.6. However, a direct measurement of the bunch structure, while using sensible high-current slit settings, proved valuable. Low-current measurements with the MC diamond detector featured a gain loss of 5 % pulse height and 2 % pulse integral after irradiation with ≈ 3×10^4 argon ions. Although this effect is corrected in the data analysis, the energy spread is significantly larger than expected, like in the TOF measurements. Similarly, the values for α were below 0.5. Prominent trails in the measured distribution showed a broad energy spectrum and could be quantitatively attributed to interaction with the collimator apertures. As the measurements hint an insufficient energy resolution, this effect has been investigated in a Gaussian model space. The discrepancies between expected and measured values ∆E/⟨E⟩, α and emittance could be resolved by assuming a system response of 1.3 %. In the scope of this model space and knowledge of the TOF resolution an approximation to the real longitudinal phase-space parameter by back transformation of the covariance matrix was suggested. Furthermore, the Gaussian model space allowed to deduce an analytic formula for the required energy resolution. This showed a high dependency of the resolution on the Twiss parameter α which scales with 1/α. For instance, to target a precision of the emittance within 10 % requires a TOF resolution of better than 30 ps. This motivated a survey on the possible systematic contributions. The dominating contribution was found to be the inhomogeneity of the foils. The tantalum foil alone contributes an energy broadening of σE/⟨E⟩ ≈ 1 % and is of the same size of the expected energy spread of beam. Including all systematic sources quantitatively supports the considerations made in the Gaussian model space. While the experimental setup is not yet able to measure the full longitudinal phase-space distribution, it is capable of providing valuable information about the bunch structure. Several campaigns have been successfully supported with bunch-structure measurements.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Für Beschleunigeranlagen ist es unabdingbar, Messdaten von Strahlparametern während des Betriebs zu bestimmen. Diese Aufgabe übernimmt die Strahldiagnose. Sie stellt ein Schlüsselglied zur Inbetriebnahme, Einstellung und Optimierung der Anlage dar. Eine wichtige Information ist die Phasenraumverteilung der beschleunigten Teilchensorten. Im Falle der Beschleunigeranlage GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) sind dies Ionen von Protonen bis hin zu Uran. Nicht immer existieren etablierte Messmethoden zur Bestimmung notwendiger Strahlinformationen, sodass neuartige Ansätze verfolgt werden müssen. Vor dieser Herausforderung steht der vorliegende Messaufbau, der zur Inbetriebnahme des Hochstrominjektors von Forck et al. konzipiert und realisiert wurde. Dieser soll einen experimentellen Zugang zur longitudinalen Phasenraumverteilung bei niedrigen Energien von 1.4 AMeV ermöglichen. Etablierte Ansätze bei deutlich höheren Energien, die sich der Messung der elektrischen Feldverteilung bedienen, sind, bei gegebenen nichtrelativistischen Geschwindkeiten von 5.5 % der Lichtgeschwindigkeit, nicht praktikabel. Die vorgestellte Messmethodik basiert auf der Messung der Flugzeit einzelner Ionen zwischen zwei Teilchendetektoren. Eine Modifikation ermöglicht, alternativ, die direkte Messung der Energie mittels eines monokristallinen Diamantdetektors. Derzeit steht, neben anderen Strahlparametern, die Kenntnis des longitudinalen Phasenraums im Fokus der Optimierung des Injektors. Sie erlaubt eine systematische Optimierung der Strahlanpassung entlang der Beschleunigerkavitäten und somit eine verbesserte Transmission sowie niedrigere Emittanzwerte. Durch den Neubau der Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) ist die Erhöhung der Strahlqualität des bestehenden Injektors eine grundlegende Voraussetzung. In dieser Arbeit wird der Messaufbau auf seine Eignung untersucht, den longitudinalen Phasenraum hinreichend präzise abzubilden. Dabei gilt es, die Phase und Impuls einzelner Ionen längs der Strahlachse möglichst exakt zu bestimmen. Die Phasenraumverteilung ergibt sich schließlich aus dem gemessenen Ensemble. Der Aufbau wird im Detail vorgestellt, sowie in notwendige Konzepte wie dem Phasenraum und der Emittanz eingeführt. Nach der ausführlichen Beschreibung der Datenakquisition folgt eine Diskussion der Datenanalyse. Ein maßgeblicher Bestandteil ist die Einführung eines robusten Schätzers für die Kovarianzmatrix. Diese ist direkt mit der Emittanz verknüpft, jedoch für den klassischen Schätzer sehr sensitiv auf Ausreißer in der gemessenen Verteilung. Die übliche Herangehensweise des subjektiven Setzens von Schnitten an die Daten wird damit konsequent vermieden. Die Messeigenschaften des Flugzeitexperiments wurden für Hoch- und Niederstrom getestet. Dabei wurde die Sensitivität des Messaufbaus auf den Phasenraum bestätigt. Weiterhin zeigte sich, dass der Gasdruck im Stripperbereich und in besonderem Maße die Einstellung der Hochstromschlitze, die zur Abschwächung bei Hochstrom benötigt werden, einen signifikanten Einfluß auf den gemessenen Phasenraum zur Folge haben. Die Streuung von Ionen an den Schlitzen führt bei kleinen Schlitzöffnungen zu einer messbaren Energieverbreiterung, grösserer Bunchlänge und, folglich, grösseren Emittanz. Unabhängig von der Messkonfiguration wurden konsistent Abweichungen von den erwarteten Werten der Energiebreite ∆E/⟨E⟩ ≈ 1 % und des Twiss-Parameters α ≈ 4 gemessen. Die gemessenen Energiebreiten überschritten die Theoriewerte um einen Faktor 1.5-1.6. Eine direkte Messung der Bunchstruktur ist hingegen, unter Beachtung der Schlitzkonfiguration, sinnvoll. Niederstrommessungen mit dem monokristallinen Diamantdetektor zeigten nach der Bestrahlung von ≈ 3×10^4 Argon-Ionen einen Verlust von 5 % in der Pulshöhe und 2 % im Pulsintegral. Obwohl dieser Effekt in der Datenanalyse korrigiert wurde, zeigte sich, wie bereits in der Flugzeitmessung, eine deutlich höhere Energiebreite als erwartet. Ebenso lagen die Werte für α deutlich unter 0.5. Auftretende Schleppen in den gemessenen Verteilungen zeigten ein breites Energiespektrum und konnten quantitativ auf Wechselwirkung mit den Kollimatorblenden zurückgeführt werden. Nach diesen experimentellen Hinweisen auf eine unzureichende Energieauflösung wurde dieser Effekt in einem Gauss’schen Modellraum untersucht. Dabei konnten die Diskrepanzen zwischen erwarteten und gemessenen Werten der Größen ∆E/⟨E⟩, α und der Emittanz durch Annahme einer Systemantwort von 1.3 % aufgelöst werden. Im Rahmen des Modellraumes konnte somit vorgeschlagen werden, bei guter Kenntnis der Messauflösung, die gemessenen Daten durch Rücktransformation an die tatsächlichen longitudinalen Parameter anzunähern. Im Umkehrschluss war es dadurch möglich, anhand des Modells eine analytische Formel für die benötigte Energieauflösung herzuleiten. Es zeigt sich eine hohe Abhängigkeit der benötigten Energieauflösung vom Twiss-Parameter α. Demnach skaliert die benötigte Auflösung mit 1/α. Um die erwartete Emittanz zu messen, muss die Messgenauigkeit bereits eine Energieauflösung von besser als 1.7 AkeV aufweisen, um eine maximale Abweichung von 10 % zu erzielen. Dies entspricht einer Zeitauflösung von besser als 30 ps. Dies motivierte eine Erhebung möglicher systematischer Fehlerquellen. Der dominierende Beitrag ist durch die Inhomogenität der Folien gegeben. Bereits die Abschätzung für die Tantalfolie mit σE/⟨E⟩ ≈ 1 % führt zu einer merklichen Energieverbreiterung, von der Größe des eigentlich zu messenden Wertes. In Anbetracht der benötigten Zeitauflösung, um die Emittanz mit 10 % Genauigkeit zu messen, ist jedoch auch der Beitrag der verkippten Aluminiumfolie von 25 ps kritisch. Die quantitative Erhebung sämtlicher Fehlerquellen, bestehend aus der Zeitauflösung der einzelnen Komponenten und dissipativen Beiträgen der Folien, unterstützt die besprochene Modellbetrachtung. Demnach deckt sich der erhobene Wert für die Systemantwort des Gesamtsystems mit der in der Modellbetrachtung gewählten. Obwohl eine direkte Messung der gesamten longitudinalen Phasenraumverteilung mit dem derzeitigen Aufbau nicht möglich ist, liefert die Bunchstruktur vertrauenswürdige Werte. Der Messaufbau wurde zu diesem Zweck in mehreren Messkampagnen erfolgreich eingesetzt und für weitere angefordert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 23 Dec 2014 11:01
Last Modified: 23 Dec 2014 11:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43219
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Refereed: 14 April 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4321
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