New Concepts for Transverse Beam Stability in High-Current Heavy-Ion Synchrotrons

Development of modern circular accelerators is nowadays focused on increasing energy and intensity of the beam. For high current operation, the electromagnetic fields self-generated by the beam can become sufficiently strong to cause beam instabilities. In this thesis, new concepts for the damping of coherent transverse instabilities in the heavy ion synchrotron SIS of the GSI at high intensities, e.g. with 2 · 10^11 Ne10+ ions and 4 · 10^10 U73+ are investigated. In particular, a new wide band transverse feedback system (TFS) has been designed, installed and tested. The new concept, based on digital-signal processing, which allows to integrate all required functions on a single chip, is presented. To implement a high-speed digital-signal processing system with variable parameters at a peak data processing rate of 800 MBytes/s, novel methods for data processing in real time are investigated. To cover all working modes, e.g. coasting beam during injection, bunched beam during acceleration and extraction, a programmable variable delay up to 10 µs is designed which includes novel methods for a delay step resolution of 1 ns. Thus, a theoretical description of a transverse feedback system taking into account the influence of its transfer function on a beam, as well as the design and installation of a 12 bits/100MHz automatic digital feedback system are presented.

Bei der Entwicklung von modernen Kreisbeschleunigern ist die Erhöhung der Strahlenergie und -intensität von entscheidender Bedeutung. Bei hoher Intensität können die vom Strahl selbst generierten elektromagnetischen Felder genügend stark sein um Strahlinstabilitäten hervorzurufen. In der vorliegenden Dissertation wird ein neues Konzept zur Dämpfung von kohärenten transversalen Instabilitäten im Schwerionensynchrotron SIS der GSI für hohe Strahlintensitäten, z.B. mit 2 · 10^11 Ne10+ Ionen und 4 · 10^10 U73+, untersucht, realisiert und getestet. Durch ein transversales Feedbacksystem, wie es in dieser Arbeit entworfen und aufgebaut wurde, können diese kohärenten Instabilitäten gezielt gedämpft werden. Die Strahlstabilisierung während der Injektions-, Beschleunigungs-, und Extraktionsphase erfordern eine programmierbare variable Verzögerung mit hoher Auflösung. Besonderes Augenmerk wird auf eine kombinierte Methode von analogem und digitalem Verfahren gelegt. Dieses neuartige Konzept zwingt nach neuen Wegen und Methoden zu suchen, um die Zeitverzögerung und die vektorielle Summation durch digital signalverarbeitung zu realisieren. Um die Datenübertragungsgeschwindigkeit bis zu 800 MBytes/s in Echtzeit bearbeiten zu können, wurden neuartige Methoden für die digitale Signalverarbeitung untersucht und entwickelt. Das komplette Design und der Aufbau des neuartigen 12 bits/100MHz automatischen digitalen Feedbacksystems wird in dieser Arbeit umfassend beschrieben.