Experimental investigation of the beam dynamics of the MESA photoinjector
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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.