Entwicklung und Test einer Strahlpositionsmessung für den mehrfach rezirkulierenden ERL-Betrieb des S-DALINAC

Der S-DALINAC ist ein supraleitender rezirkulierender Elektronenbeschleuniger, der im cw-Betrieb bei einer Frequenz von 3 GHz arbeitet. Durch die Implementierung eines Weglängenanpassungssystems, das eine 360°-Phasenverschiebung ermöglicht, kann der Beschleuniger als Energy-Recovery-LINAC (ERL) betrieben werden. Der mehrfach rezirkulierende (multi-turn) ERL-Betrieb wurde im Jahr 2021 demonstriert. Beim Betrieb des Beschleunigers in diesem Modus gibt es zwei Strahlen in derselben Strahlführung, den einfach beschleunigten und den bereits einfach abgebremsten Strahl, mit einer longitudinalen Phasendifferenz von 180° und möglicherweise deutlich abweichenden Transversalpositionen. Eine Messung dieser Strahlpositionen muss zwangsweise nicht-destruktiv erfolgen, sonst kann der Betriebsmodus nicht aufrechterhalten werden. In dieser Arbeit wurden zwei Messsysteme entwickelt und konstruiert, die beide den notwendigen Anspruch der nicht-Destruktivität erfüllen und darüber hinaus bei Strahlströmen von 100 nA und weniger, wie sie beim Strahleinstellen genutzt werden, verwendet werden können. Als erste Messmethode wurde ein Hochfrequenz (HF)-Positionsmonitor mit einer Resonanzfrequenz von 6 GHz, die der doppelten Betriebsfrequenz des S-DALINAC entspricht, entworfen und dessen geometrische Kenngrößen durch Simulationen bestimmt. Der Monitor wurde so designt, dass er zwei Zellen besitzt, jeweils eine dedizierte Zelle für die Messung der horizontalen und vertikalen Strahlposition. Auf Basis der simulierten Geometrieparameter wurde der Monitor konstruiert und anschließend Frequenz und Kopplung abgestimmt. Im Rahmen einer Kommissionierungsmessung konnte erfolgreich eine Abhängigkeit der Signalstärke von der Vertikalposition des einfach abgebremsten Strahls gemessen werden. Weiterhin konnte eine Kalibrationsmessung mit dem einfach beschleunigten Strahl durchgeführt werden, wobei die Positionsgenauigkeit des Monitors abseits der Resonatormitte zu 30 μm für die vertikale Position und 50 μm für die horizontale Position bestimmt wurde. Als zweite Messmethode wurde ein Drahtscanner konstruiert, bei dem zwei Wolframdrähte mit jeweils einem Radius von 50 μm durch den Strahl gefahren werden und die so verursachte Sekundärteilchenrate detektiert werden kann. Eine spezielle Datenaufnahme ermöglicht Datenraten von bis zu 420 Hz. Dadurch war es möglich eine auf dem Strahl liegende 50 Hz-Störung genauer zu untersuchen. Der Drahtscanner wurde erfolgreich dazu verwendet die Strahlpositionen beider Strahlen im multi-turn ERL-Betrieb zu messen. Dabei wurde eine Messgenauigkeit der Position von etwa 100 μm erreicht. In der Gegenüberstellung beider Messmethoden zeigt sich, dass der HF-Monitor einen höheren Auslegungs-, Fertigungs- und Kalibrationsaufwand erfordert. Allerdings stellt er am S-DALINAC zurzeit die einzige Möglichkeit dar, die Strahlposition nicht-destruktiv und dauerhaft zu messen. Der Drahtscanner weist eine einfachere Handhabung auf und zeigt eine höhere Zeitauflösung, allerdings ist die Messdauer von bis zu 30 Sekunden zu lang, um ihn beim Einstellen des Strahls effizient verwenden zu können.

The S-DALINAC is a thrice-recirculating electron accelerator operating in cw-mode at a frequency of 3 GHz. Due to the implementation of a path-length adjustment system capable of a 360° phase shift, it is possible to operate the accelerator as an Energy-Recovery LINAC (ERL). The multi-turn ERL operation has been demonstrated in 2021. While operating the accelerator in this mode, there are two beams, the once accelerated and the already once decelerated beam, with a longitudinal phase difference of 180° and significantly deviant transversal positions in the same beamline. The measurement of the beam position must be non-destructive, otherwise the operating mode cannot be maintained. In this work, two measuring systems were developed and constructed, both of which fulfil the necessary requirement of non-destructivity and can also be used at beam currents of 100 nA and less, as used while beam tuning. As a first measurement method, a radio-frequency (rf) beam position monitor with a resonant frequency of 6 GHz, which corresponds to twice the operating frequency of the S-DALINAC, was designed and its geometric characteristics were determined by simulations. The monitor was designed to have two cells, one dedicated cell each for measuring the horizontal and vertical beam position. The monitor was constructed on the basis of the simulated geometry parameters and the frequency and coupling were then tuned. During a commissioning measurement, a dependency of the signal strength on the vertical position of the once decelerated beam was successfully measured. Furthermore, a calibration measurement was carried out with the once accelerated beam, whereby the off-center position accuracy of the monitor was determined to be 30 μm for the vertical position and 50 μm for the horizontal position. As a second measurement method, a wire scanner was constructed in which two tungsten wires, each with a radius of 50 μm, can be moved through the beam and the secondary particle rate can be detected. A special data aquisition enables data rates of up to 420 Hz. Due to this, it was possible to analyze a 50 Hz disturbance on the beam in more detail. The wire scanner was successfully used to measure the beam positions of both beams in multi-turn ERL mode. A measurement accuracy of the position of about 100 μm was achieved. A comparison of the two measurement methods shows that the rf-monitor requires more effort in design, construction and calibration. However, it is currently the only way to measure the beam position non-destructively and continuously at the S-DALINAC. The wire scanner is easier to use and has a better time resolution, but the measurement time of up to 30 seconds is too long to use it efficiently when adjusting the beam.