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Entwurf eines Møllerpolarimeters und Entwicklung einer aktiven Phasenstabilisierung für den Injektor des S-DALINAC

Bahlo, Thore :
Entwurf eines Møllerpolarimeters und Entwicklung einer aktiven Phasenstabilisierung für den Injektor des S-DALINAC.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwurf eines Møllerpolarimeters und Entwicklung einer aktiven Phasenstabilisierung für den Injektor des S-DALINAC
Language: German
Abstract:

Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit dem Entwurf eines (30–130) MeV-Møllerpolarimeters für den supraleitenden Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC, an dem es bisher nicht möglich ist, die Elektronenpolarisation für kinetische Energien oberhalb von 10 MeV zu messen. Bei dem präsentierten Entwurf handelt es sich um ein Zwei-Arm-Polarimeter, das die an einer po- larisierten Vacofluxfolie über symmetrische Møllerstreuung wechselwirkenden Elektronen mit einem Separationsdipol vertikal vom Primärstrahl trennt und mithilfe von Cherenkovzählern koinzident de- tektiert. Die Targetfolie steht in einem Winkel von 20 ◦ zum einfallenden Elektronenstrahl und wird von einem Helmholtzspulenpaar in der Folienebene magnetisiert. Der Entwurf bietet die Möglichkeit, ge- kühlte Aperturblenden zu installieren und von außerhalb der Vakuumkammer zu manipulieren, um die Winkelakzeptanzen des Polarimeters zu definieren. Diverse numerische Simulationen demonstrieren, dass dieser Entwurf zur Polarisationsmessung genutzt werden kann. Selbst bei schlechten experimen- tellen Voraussetzungen beträgt die abgeschätzte Messzeit bei einem Strahlstrom von lediglich 100 nA nur wenige Minuten. Selbst für höhere Strahlströme bleibt die Temperatur der Targetfolie ausreichend gering, so dass kein signifikanter Einfluss auf die Polarisation der Folie genommen wird. Die Streuwin- kelakzeptanz beträgt im Schwerpunktsystem (90 ± 10) ◦ während die Azimutalwinkelakzeptanz bei 40 ◦ liegt. Der Einfluss des Levchukeffekts ist bei diesem Entwurf vernachlässigbar. Der effektive Analysierstär- kekoeffizient dieses Polarimeters liegt energieabhängig zwischen 0,66 und 0,74. Die Messunsicherheit der Polarisationsmessung wird durch die Unsicherheit der Targetpolarisation dominiert und auf maximal 4 % abgeschätzt. Zur präzisen Targetpolarisationsmessung wird ein auf die Foliengeometrie optimierter Messaufbau präsentiert. Sämtliche Komponenten des Polarimeters sind entweder kommerziell verfügbar oder können mit technischen Zeichnungen aus dieser Dissertation angefertigt werden. Der zweite Teil dieser Dissertation beschreibt den Entwurf und die Inbetriebnahme einer aktiven Strahl- phasenstabilisierung für den Injektorbeschleuniger des S-DALINAC. Für die Durchführung kernphysi- kalischer Elektronenstreuexperimente ist eine geringe Energieunschärfe des beschleunigten Elektronen- strahls über einen Zeitraum von mehreren Stunden notwendig. Im Injektorbereich auftretende Phasen- schwankungen reduzierten die Beschleunigungseffizienz und Energiestabilität des Elektronenstrahls und mussten durch den Operateur in der Vergangenheit manuell kompensiert werden. Um diese Korrektu- ren zu automatisieren und die Injektorphase aktiv stabilisieren zu können, wurde eine Phasenregelung implementiert und in Betrieb genommen. Sie nutzt die Messsignale eines vom Elektronenstrahl durch- querten, passiven, zylindrischen Hohlraumresonators, um die Strahlphase zu messen, und regelt diese Phase durch Flugzeitänderungen im Bereich der Elektronenquellen. Langfristige Drifteffekte der Strahl- phase konnten so vollständig kompensiert werden. Die Phasenvariationen im Bereich einiger Stunden konnte von dieser Regelung um 85 % reduziert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the first part of this thesis the design of a (30–130) MeV-Møllerpolarimeter for the superconducting electron linear accelerator S-DALINAC is presented. For the S-DALINAC this device is crucial since until now there is no opportunity to measure the electron beam polarization for energies above 10 MeV. The presented design consists of a two-arm-polarimeter, which uses a polarized Vacoflux foil to produce symmetrical Møller-scattered electrons. These electrons are separated vertically from the main beam by a separation dipole magnet and are detected using coincident Cherenkov counters. The target foil is tilted by 20 ◦ against the incident beam and gets polarized in-plane by a pair of Helmholtz coils. Within this design there is a possibility to install actively cooled apertures which can be manipulated from outside the vacuum chambers to adjust the angle acceptances. Several numerical simulations and calculations show that this design can be used for polarization measurements. Even under adverse conditions the time neccessary for a polarization measurement does not exceed a few minutes. The measurements are performed with a beam current of 100 nA leaving the target temperature sufficiently small. The scattering angle acceptance is (90±10) ◦ while the azimuthal acceptance measures 40 ◦ making it possible to neglect the Levchuk-effect. The energy dependent analyzing power coefficient has been calculated to be between 0.66 and 0.74. The uncertainty of the measured polarization is estimated to be at most 4 % mainly dominated by the target polarization uncertainty. To measure the target polarization precisely a special magnetization measurement setup is presented. All presented components of this design are commercially available or can be produced using the technical drawings provided by this thesis. The second part of this thesis describes the design and commissioning of an active beam phase sta- bilization system for the injection accelerator of the S-DALINAC. In order to conduct nuclear structure experiments using electron scattering reactions it is crucial to use an electron beam with a narrow energy distribution, that does not change for several hours. At the low energy section of the S-DALINAC phase drifts and phase variations occure regularly. Those variations had to be manually corrected by the opera- tor. To automatize these adjustments and to stabilize the preaccelerated electron beam an active control algorithm has been implemented and commissioned. It uses the measured beam phase provided by a passive, cylindrical cavity that is traversed by the electron beam. The algorithm calculates a new setpoint for the phase of an active cavity near the electron sources and adjusts the phase due to time-of-flight effects. Long-term drifts of the phase could be compensated entirely. Short-term variations of the phase could be reduced by 85 % using this control algorithm.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
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: 22 Nov 2017 08:36
Last Modified: 22 Nov 2017 08:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68490
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Enders, Prof. Dr. Joachim
Refereed: 12 June 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6849
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