Authors:	Dehn, Marco
Title:	Untersuchungen zur Strahldynamik am Harmonischen Doppelseitigen Mikrotron von MAMI-C
Online publication date:	23-Dec-2013
Year of first publication:	2013
Language:	german
Abstract:	Das Institut für Kernphysik der Universität Mainz betreibt seit 1990 eine weltweit einzigartige Beschleunigeranlage für kern- und teilchenphysikalische Experimente â das Mainzer Mikrotron (MAMI-B). Diese Beschleunigerkaskade besteht aus drei Rennbahn-Mikrotrons (RTMs) mit Hochfrequenzlinearbeschleunigern bei 2.45 GHz, mit denen ein quasi kontinuierlicher Elektronenstrahl von bis zu 100 ?A auf 855MeV beschleunigt werden kann.rnrnIm Jahr 1999 wurde die Umsetzung der letzten Ausbaustufe â ein Harmonisches Doppelseitiges Mikrotron (HDSM, MAMI-C) â mit einer Endenergie von 1.5 GeV begonnen. Die Planung erforderte einige mutige Schritte, z.B. Umlenkmagnete mit Feldgradient und ihren daraus resultierenden strahloptischen Eigenschaften, die einen großen Einfluss auf die Longitudinaldynamik des Beschleunigers haben. Dies erforderte die Einführung der â harmonischenâ Betriebsweise mit zwei Frequenzen der zwei Linearbeschleuniger.rnrnViele Maschinenparameter (wie z.B. HF-Amplituden oder -Phasen) wirken direkt auf den Beschleunigungsprozess ein, ihre physikalischen Größen sind indes nicht immer auf einfache Weise messtechnisch zugänglich. Bei einem RTM mit einer verhältnismäßig einfachen und wohldefinierten Strahldynamik ist das im Routinebetrieb unproblematisch, beim HDSM hingegen ist schon allein wegen der größeren Zahl an Parametern die Kenntnis der physikalischen Größen von deutlich größerer Bedeutung. Es gelang im Rahmen dieser Arbeit, geeignete Methoden der Strahldiagnose zu entwickeln, mit denen diese Maschinenparameter überprüft und mit den Planungsvorgaben verglichen werden können.rnrnDa die Anpassung des Maschinenmodells an eine einzelne Phasenmessung aufgrund der unvermeidlichen Messfehler nicht immer eindeutige Ergebnisse liefert, wird eine Form der Tomographie verwendet. Der longitudinale Phasenraum wird dann in Form einer Akzeptanzmessung untersucht. Anschließend kann ein erweitertes Modell an die gewonnene Datenvielfalt angepasst werden, wodurch eine größere Signifikanz der Modellparameter erreicht wird.rnrnDie Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass sich der Beschleuniger als Gesamtsystem im Wesentlichen wie vorhergesagt verhält und eine große Zahl unterschiedlicher Konfigurationen zum Strahlbetrieb möglich sind â im Routinebetrieb wird dies jedoch vermieden und eine bewährte Konfiguration für die meisten Situationen eingesetzt. Das führt zu einer guten Reproduzierbarkeit z.B. der Endenergie oder des Spinpolarisationswinkels an den Experimentierplätzen.rnrnDie Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen wurden teilweise automatisiert, so dass nun den Operateuren zusätzliche und hilfreiche Diagnose zur Verfügung steht, mit denen der Maschinenbetrieb noch zuverlässiger durchgeführt werden kann. The Institut für Kernphysik at Mainz University operates a worldwide unique accelerator for experiments in nuclear and particle physics since 1990. The Mainzer Mikrotron (MAMI-B) uses three cascaded racetrack microtrons (RTM) with RF linacs operating at 2.45 GHz to accelerate a continuous electron beam of up to 100 ?A to 855MeV.rnrnIn 1999 the realisation of the fourth stage â the Harmonic Double Sided Microtron (HDSM, MAMI-C) â reaching a maximum beam energy of 1.5 GeV was started. During the development some courageous decisions were necessary. For example the bending magnets with their field gradient and corresponding beam optical properties have large influence on the longitudinal beam dynamics. That in turn requires harmonic operation with two RF linacs operating at 4.9 GHz and 2.45 GHz.rnrnMany parameters of the machine settings (like RF voltage or phase) have great impact on the acceleration process but not always they are easily to quantify in physical units. Concerning the RTMs with their comparatively simple and well defined beam dynamics that is rather unproblematic. However, in the HDSM the larger number of parameters requires a more precise knowledge of these quantities. Therefore it is necessary to develop dedicated methods of beam diagnostics to check the important machine parameters against their design values.rnrnAll these methods are not free of systematic errors or insufficiencies and thus fitting a model of the machine to measured data does not always yield unambiguous results. To overcome this problem a special kind of tomography is used to scan the longitudinal phase space resulting in acceptance measurements. The large amount of data with systematic variations now yields a better significance of the fitted parameters.rnrnThe results of these investigations demonstrate that the accelerator as an entity acts as predicted and shows that many different configurations can be used to operate the HDSM. However, for most situations one single configuration is established to improve the reproducibility of e.g. the beam energy or the spin polarisation angle at the experimental areas.rnrnSome of the resulting findings were automated to aid the operators of MAMI by means of additional diagnostic tools. These tools now guarantee a more reliable and systematical approach while operating the HDSM routinely.
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-3658
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-36165
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	164 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen