Authors:	Alexander, Igor Constantin
Title:	Experimental investigation of the beam dynamics of the MESA photoinjector
Online publication date:	28-Oct-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	Das Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz baut einen neuen Beschleuniger mit der Bezeichnung “Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator” (MESA). MESA wird, ähnlich wie das bereits existierende Mainz Mikrotron (MAMI), ein rezirkulierender Beschleuniger sein, der einen c.w. Strahl mit einer Frequenz von 1,3 GHz liefern wird. Im sogenannten ERL Betrieb soll der mittlere Strahlstrom zunächst 1 mA betragen, was in einer weiteren Ausbaustufe auf 10 mA erhöht werden wird. Für einen zuverlässigen Betrieb des Beschleunigers ist die Strahlqualität entscheidend, die durch die Emittanz beschrieben wird. Die normierte Emittanz des Elektronenstrahls sollte epsilon_n < 1 mm mrad = 1 µm betragen und wird maßgeblich durch die Eigenschaften der Elektronenquelle definiert. Durch die angestrebten Strahlströme von bis zu 10 mA in Verbindung mit einer Emittanz von epsilon_n,max = 1 µm können hohe Elektronendichten auftreten, welche durch die nichtlinearen Raumladungskräfte die Strahlqualität nachteilig beeinflussen. Deswegen ist eine geeignete Strahldiagnose unerlässlich, nicht zuletzt um die Eigenschaften der Elektronenquelle zu bestimmen, die sich aufgrund der Komplexität des Photoemissionsprozesses nur schwer modellieren lassen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Emittanzmessungen an niederenergetischen Elektronenstrahlen (100 keV) sowie der Messung der Elektronenpulslänge im Pikosekundenbereich. Für diesen Zweck wurde eine Teststrahlführung aufgebaut und die nötigen Diagnoseelemente wurden entwickelt und in Betrieb genommen. Die Strahldiagnoseeinheiten bestehen aus Leuchtschirmen und Drähten, mit denen Quadrupolscans ausgewertet werden können um eine Emittanzbestimmung durchzuführen. Zusätzlich sind auch noch Schlitzmasken verbaut, die eine Reduzierung der Raumladungskräfte während der Emittanzvermessung ermöglichen. Da die Strahldiagnoseelemente für den Betrieb an MESA konzipiert sind, werden diese unter realitätsnahen Bedingungen—wie sie auch später an MESA vorliegen—getestet. Anhand dieser Anforderungen wurde ein zuverlässiges Lasersystem aufgebaut und in Betrieb genommen. Das Lasersystem besteht aus zwei Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen und Pulseigenschaften. Dies ermöglicht es die Auswirkungen der zeitlichen Struktur der Bunche sowie der emittierenden Fläche auf die Entwicklung der Emittanz zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Strahlparameter bis zu einem Strahlstrom von 2,4 mA bestimmt werden, was einer Bunchladung von 2 pC entspricht. Ein Deflektorresonator wurde verwendet, um die auftretenden Pulslängen zu charakterisieren. Die beobachteten Bunchlängen und Emittanzen für I_beam ≤ 1 mA sind ausreichend, um mit dem Betrieb von MESA zu beginnen. Die durchgeführten Messungen decken die Anforderungen für die erste Ausbaustufe von MESA ab. The Institute of Nuclear Physics at Johannes Gutenberg University Mainz is building a new accelerator called Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA). MESA will be a recirculating machine like the existing Mainz Microtron (MAMI) delivering a c.w. electron beam with a repetition rate of 1.3 GHz. In the ERL operating mode the average beam current should be 1 mA, and in a second stage increased up to 10 mA. The beam quality, which is described by the emittance, is very important for a reliable accelerator operation. The normalized emittance of the electron beam should be epsilon_n < 1 mm mrad = 1 µm. The desired beam currents of up to 10 mA in combination with an emittance of epsilon_n,max = 1 µm create high electron densities. The latter will act as a detrimental effect on the beam quality due to nonlinear space charge forces. Therefore, diagnostic elements are very important, in particular to characterize the properties of the electron source, since they are difficult to simulate because of the complexity of photoemission. The thesis describes emittance measuring methods for low-energy electron beams (100 keV) and investigations of their temporal distribution in the picosecond regime. A diagnostic test beam line has been built, and the diagnostic elements have been designed and put into action. The diagnostic elements consist of screens and wires to perform quadrupole scans for the emittance determination. In addition, slit masks are installed, which allow to reduce space charge effects during the emittance determination. Furthermore, a reliable laser system which allows to simulate the operating parameters of MESA has been constructed and commissioned. The laser system contains two different laser diodes with different wavelengths and enables to investigate the effect of the temporal bunch structure and the emitter area on the evolution of the emittance within the low-energy beam transport system. The electron beam parameters could be determined up to a current of about 2.4 mA, which corresponds to a bunch charge of approximately 2 pC. A circular deflecting cavity was employed to characterize the bunch length of the electron pulses. With the existing electron source satisfying bunchlengths and emittances have been observed at I_beam ≤ 1 mA, which is sufficient to start MESA operations. The experiments performed cover the requirements for MESA stage-1.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1176
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000023535
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	vi, 167 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen