Versatile Bunch Length Measurement Setup for Femtocoulomb Bunch Charges at the S-DALINAC

For optimization of the bunch length of the beam at the superconducting Darmstadt electron linear accelerator (S-DALINAC), a new measurement setup was designed and constructed. Aluminum-coated Kapton screens are inserted into the beamline to emit optical transition radiation (OTR) when impacted by electrons. A streak camera is used to measure the duration of light pulses created from these screens, which is identical to the bunch length of the respective electron bunches at large kinetic energies. An optical system based on mirrors is used to transport the light pulses to the streak camera and maintain the high resolution of the device.

Two commissioning experiments with the new bunch length measurement setup were performed close to the entrance of the main linear accelerator (linac). A sweep of the electric field amplitude of the buncher located in the injector section was performed, where the empirically determined setting for a minimum bunch length was verified. In the second experiment, the arc between the injector linac and main linac was investigated for its capabilities as a bunch compressor to achieve even smaller bunch lengths. For a specific injector linac setting as well as non-zero longitudinal dispersion of the arc, a minimum bunch length value with a low momentum spread of the electrons in the bunch could be determined. The achieved time resolution of the setup was found to be competitive with eleven other electron accelerators. With the versatility of the setup allowing for bunch length measurements at any location of the accelerator with an OTR screen, the presented measurement method was significantly improved. In the regime of low bunch charges and small bunch lengths, the merit of the new bunch length measurement setup was proven.

The S-DALINAC can be operated as an energy-recovery linac (ERL), which provides significant reduction in external power demand during operation. A proposed future accelerator with higher beam currents and kinetic energies per electron shall incorporate this technique. A concept study of an existing injector for this future ERL will be presented, where the impact of the buncher on the beam quality was investigated. Here, it was shown that the injector lattice fulfills the required specifications for the ERL and that the buncher can be used to fine-tune the beam quality.

Zur Optimierung der Paketlänge des Elektronstrahls am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger (S-DALINAC) wurde ein neuer Messaufbau entworfen und konstruiert. Eine mit Aluminium beschichtete Kapton-Folie wird in den Strahl eingeführt und die Aluminiumoberfläche emittiert optische Übergangsstrahlung unter Beschuss von Elektronen. Mit einer Streak-Kamera kann die Dauer der von dem Schirm erzeugten Lichtpulse bestimmt werden, welche zu der Paketlänge der erzeugenden Elektronenpakete mit großer, kinetischer Energie identisch ist. Ein optisches System basierend auf Spiegeln wird genutzt, um die Lichtpulse zur Streak-Kamera zu transportieren und die hohe Auflösung des Geräts zu erhalten.

Zwei Experimente zur Inbetriebnahme des neuer Paketlängenmessystems wurden nahe am Eingang des Hauptbeschleunigers durchgeführt. Ein Interval von elektrischen Feldamplituden des Bunchers im Injektorbereich wurde untersucht, wobei die empirisch bestimmte Einstellung für eine minimale Paketlänge verifiziert werden konnte. Im zweiten Experiment wurde überprüft, ob der Bogen zwischen Injektorbeschleuniger und Hauptbeschleuniger als Kompressor zur Minimierung der Paketlänge verwendet werden kann. Mit einer bestimmten Einstellung des Injektorbeschleunigers und einer nicht verschwindenden longitudinalen Dispersion des Bogens kann eine minimale Paketlänge bei geringer Impulsabweichung der Elektronen im Paket erreicht werden. Die erreichte Zeitauflösung des Messaufbaus wurde als wettbewerbsfähig unter elf weiteren Aufbauten an anderen Elektronenbeschleunigern festgestellt. Zusammen mit dem beweglichen Aufbau, der Paketlängenmessungen an jedem Ort des Beschleunigers mit einem Übergangsstrahlungsschirm erlaubt, wurde so eine signifikante Verbesserung der vorgestellten Messmethode erzielt. Im Bereich geringer Paketladungen und kleiner Paketlängen stellt sich der neue Aufbau als eine gute Lösung für Paketlängenmessungen heraus.

Der S-DALINAC kann als ein Energierückgewinnungslinearbeschleuniger betrieben werden, was den externen Energieverbrauch der Maschine im Betrieb signifikant reduziert. Ein vorgeschlagener, zukünftiger Beschleuniger mit höheren Strahlströmen und kinetischen Energien pro Elektron soll diese Technik nutzen. Eine Konzeptstudie eines bereits existierenden Injektors für diesen zukünftigen Energierückgewinnungslinearbeschleuniger wird vorgestellt, wobei der Einfluss des Bunchers auf die Qualität des Strahls untersucht wurde. Hierbei wurde festgestellt, dass der Injektoraufbau die benötigten Spezifikationen für den Energierückgewinnungslinearbeschleuniger erfüllt und dass der Buncher zur Feineinstellung der Strahlqualität benutzt werden kann.